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

Рис.1.5. Вариант формирования одиночного сигнала от кнопки КН, не очищенного от дребезга механических контактов

а)

б)

Рис.1.6. Варианты реализации генератора одиночных импульсов, очищенных от явления дребезга механических контактов: а) на элементах И-НЕ; б) на RS-триггере

В динамическом режиме работы (при наличии осциллографа) логические переменные могут имитироваться сигналами D0…D7, которые формируются 8-ми разрядным двоичным счетчиком. Синхронизирующие и управляющие сигналы и потенциалы циклически формируются схемой дешифрации и подаются на гнезда И_i, П_j, Т_m, Ц_r лабораторной установки. Логические условия формирования сигналов описываются следующей системой логических уравнений:

И0= D1 D0 ТИ1 П0 = D3 D2 Т0 = D5 D4 Ц0 = D7 D6

И1= D1 D0 ТИ1 П1 = D3 D2 Т1 = D5 D4 Ц1 = D7 D6

И2= D1 D0 ТИ1 П2 = D3 D2 Т2 = D5 D4 Ц2 = D7 D6

И3= D1 D0 ТИ1 П3 = D3 D2 Т3 = D5 D4 Ц3 = D7 D6

(1.1)

Сигналы И_i условимся называть импульсами, П_j - периодами, Т_m - тактами, Ц_r - циклами.

Коэффициент пересчета задающего асинхронного счетчика (D0…D7) максимально равен 256 периодам повторения тактовых импульсов ТИ1. Это позволяет формировать циклическую временную диаграмму, повторяющуюся через 256 периодов сигналов ТИ1. На основе системы уравнений (1.1) с помощью дополнительной четырех - входовой схемы И-НЕ может быть выделен любой из 256 отрицательных полупериодов сигналов ТИ1. Например, требуется выделить 107 отрицательный полупериод сигнала ТИ1. Примем следующее соглашение (1.2), определяющее начало отсчета (момент формирования нулевого полупериода):

ТИ1¹ = D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 ТИ1 = Ц0 Т0 П0 И0

(1.2)

Сигнал, формируемый в соответствии с логическим уравнением (1.2) целесообразно использовать в качестве сигнала внешней синхронизации для осциллографа. Такой сигнал формируется в стенде и выведен на гнездо «СС» - сигнал синхронизации.

Для выделения ТИ1¹⁰⁷ необходимо десятичное число 107 предварительно представить в двоичном коде и составить на основании (1.1) уравнение вида (1.2). Для этого составим следующую таблицу, в которой записано число 107 в двоичном коде:

Таблица

С учетом (1.1), (1.2) и данных, представленных в таблице, получим:

ТИ1¹⁰⁷ = D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 ТИ1 = Ц1 Т2 П2 И3 (1.3)

Сигнал, сформированный в соответствии с логическим уравненим (1.3) будет отстоять от сигнала СС на 107 периодов следования сигналов ТИ1.

1.5. Терминология, используемая при описании формы дискретных сигналов

В цифровой технике применяются аналоговые и цифровые сигналы [2]. Это формальное различие, так как дискретный сигнал представляет собой аналоговый, но специальной формы. И в аналоговой, и в цифровой вычислительной технике существуют соглашения о том, каким образом тот или иной физический сигнал может нести информацию. Для чисто аналогового сигнала для переноса информации может использоваться амплитуда сигнала, частота, фаза или их комбинации. Для дискретного сигнала для передачи информации может быть использована амплитуда, полярность, длительность, период следования.

При анализе формы двоичных сигналов пользуются определенными терминами. На рис.1.7а приведена осциллограмма идеального однополярного сигнала постоянного тока. Типовая форма реального дискретного сигнала соответствует осцилло­грамме, представленной на рис. 1.7б.

Рис. 1.7. Параметры реального дискретного сигнала

постоянного тока

В соответствии с этой осциллограммой посылка ориентирована относительно уровня 0 (соответствую­щего уровня идеальной посылки). Наличие переходных про­цессов при формировании дискретного сигнала подтверждается выбросами амплитуды огибающей, наклоном переднего ОА и заднего ВЕ фронтов посылки.

В соответствии с принятой терминологией имеем следующие параметры, характеризующие рассматривае­мый дискретный сигнал:

U_m — максимальная амплитуда импульса, равная напряжению между уровнем 0 и уровнем точки А, определенной пере­сечением продолжения плоской вершины импульса (участка БВ) с передним фронтом импульса;

U_mcp — средняя амплитуда импульса, равная напряжению между уровнем 0 и уровнем точки Б, расположенной на плоской вершине импульса и соответствующей половине длительности импульса 0.5 ;

U_{m max} — максимальная амплитуда импульса, соответствующая разности напряжения между уровнем 0 и точкой Д, соответствующей максимуму выброса фронта им­пульса;

U_{m min} — минимальная амплитуда импульса, соответствующая разности напряжений между уровнем 0 и точкой пе­ресечения плоской вершины импульса с фронтом спа­да импульса (точка В);

— длительность импульса—время, отсчитываемое на уровне 0.5 U_m между фронтом и спадом импульса;

— длительность фронта импульса—время нарастания амплитуды от 0,1U_m до 0.9U_m;

— длительность среза импульса—время снижения ам­плитуды импульса от значения в точке В до 0.1U_m;

U_в.ф — выброс фронта импульса—разность напряжения меж­ду точками Д и А;

U_в.с. — выброс среза импульса — разность напряжения меж­ду точками 0 и Е.

Для идеального импульса, представленного на рис.1.7 а), имеют место следующие соотношения:

U_m = U_{m max} = U_{m cp} = U_{m min}

U_в.ф = U_в.с = 0; = = 0.

1.6. Требования к оформлению и содержанию отчета

Отчет должен быть оформлен в соответствии с общеуниверситетскими требованиями к оформлению отчетов по лабораторным работам.

Отчет должен содержать титульный лист, описание цели лабораторной работы, задание на лабораторную работу, а также все измеренные осциллографом С1–67 амплитудно-временные параметры сигналов ТИ1 и ТИ2, формируемые лабораторным стендом «Схемотехника ЭВМ».

В отчёте необходимо привести подробное описание положений органов управления осциллографа С1-67 при проведении измерений заданных амплитудно-временных характеристик импульсных сигналов, а также описание режимов синхронизации осциллографа, используемых при проведении измерений амплитудно-временных характеристик импульсных сигналов.

2. Лабораторная работа №2

ТЕМА: Статические и динамические параметры логических элементов 155 серии.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получение практических навыков по экспериментальному определению статических и динамических параметры логических элементов.

ЗАДАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ: определить типовые статические параметры логического элемента И–НЕ (микросхема К155 ЛА 1) путём экспериментального получения передаточной характеристики этого элемента. Изучить эксплуатационные характеристики интегральных микросхем 155 серии. Экспериментально определить динамических параметры элемента И–НЕ (микросхема К155 ЛА 1).

Измерение амплитудных и временных параметров микросхема К155 ЛА 1 произвести при помощи осциллографа

Для снятия передаточной характеристики U_вых= f(U_вх) использовать схему включения логического элемента, представленную на рис.2.1.

Рис.2.1. Схема включения логического элемента для

снятия передаточной характеристики U_вых= f(U_вх)

При изменении положения движка переменного резистора R изменяется величина U_вх. Плавно изменяя положение движка каждый раз необходимо измерить величину U_вх и соответствующую величину U_вых. На основании этих измерений необходимо построить график функции U_вых= f(U_вх), что позволит определить статические параметры логического элемента И–НЕ. Использовать автоколебательный режим развертки осциллографа.

Для определения динамических параметров логического элемента И–НЕ использовать схему его включения, представленную на рис. 2.2.

Рис.2.2. Схема включения логического элемента для определения динамических параметров

Использовать внешнюю ждущую развертку осциллографа. Запуск развертки осуществлять сигналом ТИ1.

2.1. Краткие теоретические сведения

В природе не существует истинных дискретных процессов и явлений, поэтому в качестве дискретных сигналов используются аналоговые сигналы, но специальной формы.

Любой цифровой элемент, в конечном счете, реализуются на аналоговых приборах и свойства этих цифровых элементов во многом определяются свойствами электро-радио элементов, на основе которых реализуется схема.

Аналоговый сигнал любой формы характеризуется дрейфом, который обусловлен статической и динамической неустойчивостью параметров электро-радио элементов, преобразующих или формирующих данный аналоговый сигнал.

При цифровой форме представления информации, с целью обеспечения любой, наперёд заданной, точности в области существования цифрового сигнала (по напряжению или току) вводятся специальные зоны, значение сигналов в которых считаются либо равнозначным (разрешенные зоны), либо не имеющими однозначного толкования (запрещённые зоны) [3]. Понятие запрещённой зоны не означает, что в запрещённых зонах физически не существует тока или напряжения. Речь идёт о некоторых соглашениях (договоренностях) среди разработчиков цифровой аппаратуры о том, как должны интерпретироваться те или иные значения токов и/или напряжений сигналов в реальных цифровых устройствах.

Введение разрешённых и запрещённых зон эквивалентно введению информационной избыточности в аналоговый сигнал, который принимается за дискретный. Именно этим достигается высокая достоверность цифровой обработки информации, но одновременно уменьшается и информационный объём дискретных сообщений.

Количество запрещённых и разрешённых зон в дискретном сигнале может быть произвольным, но однозначно согласуется с выбранной системой счисления. При этом каждой из разрешённых зон присваивается некоторое цифровое значение и выбранной системы счисления.

При современном уровне развития электроники компромисс между желаемым и возможным реализован на двоичном представлении цифровой информации, причём не потому что это оптимально, а потому что по - другому не получается. При двоичном представлении выделяют две разрешённых зоны, одну запрещённую зону и две дополнительные зоны – зоны допустимых помех.

Типичная форма аналогового сигнала, принимаемого за дискретный сигнал, представлена на рис. 2.3:

Рис. 2.3. Типичная форма аналогового сигнала,

принимаемого за дискретный

На рис.2.3 обозначено: U₁ – величина питающего напряжения, равная максимальному значению высокого уровня напряжения; U₂ – минимальное значение высокого уровня напряжения; U₃ – максимальное значение порогового уровня напряжения; U₄ – среднее значение порогового уровня напряжения; U₅ – минимальное значение порогового уровня напряжения; U₆ – максимальное значение низкого уровня напряжения; U₇ – нулевой уровень питающего напряжения, равный минимальному значению низкого уровня напряжения.

Если зона высоких уровней напряжения принимается за логическую 1, а зона низких уровней напряжения – за логический 0, то это соответствует международному соглашению о позитивной (или положительной) логике. В противном случае принимается соглашение о негативной (или отрицательной) логике.

Скорость нарастания фронта и среза аналогового сигнала при прохождении запрещённой зоны (зоны пороговых уровней напряжения) должна превышать некоторую заданную величину, значение которой однозначно связано с быстродействием электронной схемы, реализующей преобразование такого сигнала. В противном случае возможно возникновение помех.

Различают статическую и динамическую помехоустойчивость цифровых элементов.

При определении статической помехоустойчивости не учитываются временные параметры помехи, т.е. время действия помехи считают существенно превышающим время переключения цифрового элемента.

Если длительность действия помехи сравнима с временем переключения цифрового элемента, то это динамическая помехоустойчивость.

Для оценки свойств различных логических элементов служат статические и ди­намические параметры.

Статические параметры определяются по статическим характеристикам. Наиболее важной из них является передаточная характеристика U_вых=f(U_вх), представляющая собой зависимость напряжения U_вых на выходе логического эле­мента при изменении напряжения U_вх на одном из его входов и при постоянстве на других его входах уровня логического 0 или 1. Такая характеристика для инвертиру­ющего логического элемента изображена на рис.2.3 и позволяет определить следующие параметры при номинальном питающем напряжении U_пит (для ИМС 155 серии U_пит = +5 в):

U¹_мин — минимальный уровень напряжения логической 1;

U¹_мак — максимальный уровень напряжения логической 1;

U⁰_мин — минимальный уровень напряжения логического 0;

U⁰_мак — максимальный уровень напряжения логического 0;

U_л — минимальный уровень напряжения логического перепада: U_л= U¹_мин - U⁰_мак;

U¹_пор,U⁰_пор — пороговые уровни входных напряжений поддержания логической 1 и 0. При U_вх < U¹_пор элемент находится в состоянии логической 1 (U_вых= U¹)_, при U_вх > U⁰_пор — в состоянии логического 0 (U_вых= U⁰).