Гоу впо "Воронежский государственный технический университет"

Кафедра «Автоматика и информатика в технических системах»

Функциональные узлы

Цифровой электроники

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторных работ № 1-4

по дисциплине "Цифровая электроника" для студентов специальности 220201 "Управление и информатика в технических системах" очной формы обучения

Воронеж 2008

Составитель канд. техн. наук М.И. Герасимов

УДК 681.3-181.48

Функциональные узлы цифровой электроники: методические указания к выполнению лабораторных работ № 1-4 по дисциплине "Цифровая электроника" для студентов спе­ци­аль­ности 220201 "Управление и информатика в технических системах" очной формы обучения / ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. М.И. Герасимов. Воронеж, 2008. 52 с.

Методические указания содержат общие положения по орга­низации лабораторных работ, инструкции по технике безопасности, теоретические сведения об устройстве и принципах работы исследу­емых узлов, предварительное и рабочее задания, определяющие порядок исследования, контрольные вопросы.

Предназначены для студентов 3 курса очной формы обучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле МУ_лаб_ЦЭ.doc

Табл. 6. Ил. 15. Библиогр.: 13 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. О.Ю. Таратынов

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук проф. В.Л. Бурковский

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008

Общие положения

1. Организация цикла лабораторных работ

1.1. Состав и задачи цикла работ

Программа дисциплины "Цифровая электроника" пре­ду­сматривает проведение четырех лабораторных работ (17 часов).

В начале цикла проводится обучение студентов правилам безо­пасности, действующим в лаборатории, и правилам пользования ла­бораторным оборудованием (стендом, осциллографом и другими при­борами). После получения инструктажа каждый студент дает обяза­тельство строго соблюдать данные правила, расписываясь в соот­ветствующем журнале. В случае нарушения правил студенты могут быть отстранены от работы и подвергнуты повторной сдаче зачета по технике безопасности.

Содержание цикла лабораторных работ – изучение свойств ос­новных функциональных узлов вычислительной техники (ВТ), выполненных на цифровых микро­схемах. В результате студент должен научиться читать принципи­альные схемы узлов ВТ, а также синтезировать эти узлы, приобрес­ти начальные навыки их экспериментального исследования.

Проведение каждой лабораторной работы включает этапы подго­товки, выполнения работы, оформления и защиты отчета. Каждая ла­бораторная работа требует ориентировочно 2 часа на подготовку к выполнению и 2 часа на оформление отчета и подготовку к его за­щите. Это время предусмотрено в учебном плане как самостоятель­ная работа.

1.2. Подготовка к выполнению лабораторной работы

При подготовке к работе следует:

• изучить теоретические сведения, приведенные в методических указаниях и рекомендованной литературе /4-8/;

• составить заготовку отчета с названием работы, планом экс­перимента (в развернутой форме), заголовками подлежащих заполне­нию таблиц, осциллограмм и т.п.

Основной стадией подготовки к работе является составление плана эксперимента (ПЭ) – в данном цикле для изучения лаборатор­ного стенда либо исследования различных функциональных узлов и микросхем. Бригада, не подготовившая ПЭ, к выполнению работы не допускается. План должен включать:

• цель работы (приведена в методических указаниях к каждой работе).

• функциональный анализ исследуемого устройства (стенда, уз­ла, микросхемы),

• перечень дополнительных элементов, необходимых для исследо­вания (рекомендованы в МУ),

• принципиальную схему (схемы) эксперимента,

• таблицу соединений, обеспечивающую коммутацию согласно раз­работанной принципиальной схеме,

• перечень подлежащих выполнению процедур, названия и местонахождение анализируемых сигналов, методику измерений или иссле­дований.

Функциональный анализ начинают с уяснения назначения уст­ройства. Затем следует составить список его функций, изучив соответствующую литературу, ссылки на которую приведены в МУ к каждой работе. Если устройство имеет несколько функций, следует определить их взаимное влияние, в частности приоритеты. Для мик­росхемы следует соотнести каждый вход, выход, двунаправленный вывод и соответствующую им функцию, объединив выводы в группы по признаку функциональной связанности (например, однородные выво­ды). Удобно при этом пользоваться структурными и функциональными схемами устройств, а при изучении микросхем – их условными гра­фическими обозначениями (УГО). Уяснив назначение входов, следует опре­делить, какое состояние должны иметь те из них, которые не исследуются на данной стадии эксперимента.

Далее следует выбрать дополнительные элементы, необходимые для исследования микросхемы (модуль индикации, делитель частоты и т.п.), и составить принципиальную схему (схемы) эксперимента – схему соединения этих элементов, исследуемой схемы и контактных полей стенда, указав на ней расположение всех компонентов. Изображение схемы должно соответствовать правилам, приведенным в /1/. По схеме и таблицам коммутации стенда нужно составить рабочую таблицу ком­мутации, обеспечивающую необходимые соединения. В ней следует предусмотреть также подачу напряжений питания на все схемы, по­тенциалов "лог. 0" и "лог. 1" – на неиспытываемые входы (в част­ности, на прямые динамические входы рекомендуется подавать "лог. 1", а на инверсные – "лог. 0"), сигналов начальной уста­новки и т.п.

Следующим этапом планирования является составление (на ос­нове результатов функционального анализа устройства) перечня подлежащих выполнения процедур. В перечне следует определить вид подаваемых на входы сигналов и порядок их подачи, а также наиме­нование входных, выходных и промежуточных сигналов, подлежащих выводу на индикацию. Рекомендуется разбить эксперимент на ста­дии, каждая из которых должна соответствовать исследованию одной функции, и дать им названия (например, по анализируемой функцио­нальной группе входов). В состав эксперимента должны входить исследования функционирования устройства как при подаче стан­дартных комбинаций входных воздействий, так и при конфликтных ситуациях (для проверки приоритетов, защит и т.п.). Полученный перечень должен иметь наглядный вид и сопровождаться необходимым комментарием.

1.3. Проведение лабораторной работы

К началу лабораторного занятия каждый студент должен пред­ставить отчет по предыдущей лабораторной работе (требования к отчету см. ниже) и заготовку отчета для очередной работы (со схемами и планом экспериментов). В начале каждого занятия сту­дент защищает отчет по предыдущей работе и сдает коллоквиум по очередной. Если на коллоквиуме выясняется, что студент не готов к работе или не выполнил предварительного задания, то к работе он не допускается, так же, как и студент, не защитивший двух предыдущих работ к моменту выполнения очередной работы. Пропу­щенную по неуважительной причине лабораторную работу студент, как правило, выполняет на последней неделе семестра.

В ходе лабораторной работы студентам следует обдумывать те­оретическое обоснование каждого опыта перед его выполнением и после оформления результатов. Перед снятием показаний приборов в каждой точке полезно просмотреть качественно поведение устрой­ства в целом, выявить и зафиксировать характерные значения аргу­ментов и функций, сравнить с теоретическими предсказаниями и в случае существенного расхождения выявить причину.

В процессе выполнения лабораторной работы все данные зано­сят в отчет или в протокол (один на бригаду), который после вы­полнения работы подписывается преподавателем и служит исходным материалом при составлении отчета.

Заключительной стадией проведения эксперимента должен быть анализ полученных результатов и формулирование выводов, которые заносятся в отчет.

1.4. Требования к оформлению отчета по работе

Отчет должен выполняться на стандартных листах либо в тет­ради (для всего цикла работ) аккуратно и в соответствии с /2/. Он должен содержать заголовок с выходными данными (институт, ка­федра, группа, авторы, дата оформления, наименование лаборатор­ной работы), материалы подготовительной стадии работы (п. 1.2), результаты эксперимента, их анализ и выводы. Графики должны быть выполнены на миллиметровой бумаге или на белой с нанесенной масштабной сеткой, в отчете должны помещаться необходимые пояс­нения к графикам. Сопоставляемые зависимости должны быть изобра­жены на одном рисунке. На изображениях осциллограмм необходимо указать масштабы. На координатных осях должны быть нанесены обозначения отложенных переменных.

2. Краткая инструкция по технике безопасности при выполнении лабораторных работ

Перед началом выполнения лабораторных работ студенты обяза­ны изучить инструкцию по технике безопасности и противопожарным мерам для работающих в лаборатории, ознакомиться с расположением силового электрооборудования и распределительного щита.

Во избежание несчастных случаев при работе в лаборатории необходимо строгое выполнение следующих основных правил техники безопасности.

До начала работы все ее участники должны на месте подробно ознакомиться со схемой соединений, усвоить расположение электри­ческих цепей и элементов электрооборудования, обратив особое внимание на место расположения выключателей со стороны питающей сети. Сборка схемы и ее изменение должны производиться при отк­люченных выключателях со стороны питающей сети.

Нельзя прикасаться руками к неизолированным проводам, соединительным клеммам и другим частям схемы, находящимся под опасным напряжением.

После произведенных в схеме изменений она должна быть проверена преподавателем и только с его разрешения подключена к сети.

До пуска лабораторной установки необходимо произвести ее осмотр и убедиться в исправности заземления и отсутствии посторонних предметов. Перед включением установки необходимо проверить, нет ли опасности при­косновения к токоведущим элементам схемы. Включающий напряжение обязан предупредить об этом всех работающих на установке. При проверке схемы, находящейся под напряжением, необходимо стоять на диэлектрическом коврике. Проверку следует производить вольт­метром с хорошо изолированными проводами или специальными инди­каторами.

Студентам не разрешается резать, сращивать и расплетать провода. Смена предохранителей производится преподавателем или лаборантом при отключении всех выключателей на рабочем месте.

Разборка схем допускается только при отключении напряжения питания. В случае неисправности установки необходимо ее немедленно отключить и сообщить об этом преподавателю.

3. Указания по пользованию приборами

При подключении двухлучевого осциллографа к измеряемым це­пям следует учитывать, что оба его входа имеют общую точку, свя­занную с корпусом прибора, поэтому общую точку должны иметь и измеряемые сигналы, если они гальванически связаны. Следует помнить, что схема лабораторного стенда не обеспе­чивает быстродействующую защиту источников постоянного тока от коротких замыканий, поэтому студентам рекомендуется тщательно проверять собранные схемы перед подачей на них питания. В случае вывода стенда из строя бригада, работавшая на нем, заканчивает выполнение работы в другое время по согласованию с преподавате­лем.

ИЗУЧЕНИЕ НАЛАДОЧНОГО СТЕНДА НС-2, ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРОВ

Лабораторная работа № 1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить назначение, основные технические данные и характе­ристики, органы управления наладочного стенда НС-2 и освоить работу на нем. Для приобретения практических навыков провести исследование на стенде НС-2 делителя частоты на триггере К555ТМ2.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. Конструктивные решения средств ВТ

Конструктивно средства цифровой электроники (СЦЭ) обычно представляют собой конструктив (шкаф, стойку), содержащий один или несколько стативов (кассет), в которых на направляющих уста­новлены и закреплены так называемые типовые элементы замены (ТЭЗы) с электрорадиоэлементами. Так же выглядят построенные на их основе системы управления (СУ) промышленными роботами, металлообрабатывающими станками или иным технологическим обору­дованием.

Обычно ТЭЗ представляет собой плату из текстолита или гетинакса с печатными проводниками и припаянными к ним элементами. Для ввода и вывода сигналов на ТЭЗах имеются разъемы. Разъемы могут быть выполнены как в виде готовых изделий с пластмассовой основой и штыревыми контактами, так и в виде выступающей части платы с печатными проводниками, обычно покрытыми неокисляющимся металлическим сплавом. ТЭЗ может иметь и несколько разъемов – часть для подключения к конструктиву, в который он устанавлива­ется, а часть для связи с другими ТЭЗами через кабели и жгуты. В конструктиве обычно устанавливается гнездовая часть разъема, а на ТЭЗе – штыревая.

Одним из существенных для эксплуатационника качеств каждой аппаратной реализации СЦЭ является контроле- и ремонтопригодность системы в целом и ее ТЭЗов. Минимальными предпосылками этого служат четкая иерархия конструктивных уровней, функциональная завершенность ТЭЗов, полная документированность СУ, включающая схемную, табличную и текстовую документацию для всех уровней по изучению, контролю состояния, наладке и ремонту, а также наличие необходимого вспомогательного оборудования.

2.2. Назначение и параметры наладочных стендов

Оборудованием, позволяющим выполнять задачи освоения, контроля, наладки и ремонта отдельных ТЭЗов СЦЭ, обычно являются наладочные стенды /3/. Стенды для сложных систем входят в комплект их поставки, для более простых – приобретаются отдельно с учетам функциональных и конструктивных особенностей исследуемого оборудования. Стенды должны выполнять следующие функции:

• фиксация ТЭЗа в удобном для оператора положении;

• внешняя коммутация контактов разъемов, имитирующих связи в конструктиве СЦЭ;

• питание ТЭЗа необходимыми напряжениями;

• контроль состояния входных цепей, формирование тестовых сигналов и их подача на входы ТЭЗа;

• индикация выходных сигналов и сигналов в промежуточных точках ТЭЗа;

• измерение динамических параметров сигналов, включая интер­валы времени между событиями;

• регистрация необходимых сигналов на носителе длительного хранения.

Для фиксации ТЭЗов и коммутации их контактов на стендах ус­танавливается набор необходимых разъемов, связываемых с источни­ками сигналов, устройствами индикации и другими узлами стенда. Для выполнения макетирования, доработок и т.п. (в частности учебно-исследовательских работ) в состав стендов включают сред­ства подключения отдельных микросхем.

Функция питания выполняется источниками питания стенда. которые должны обеспечить необходимый набор напряжений (обычно +5 В, +12 В, –12 В, 24 В, иногда требуются –5 В, ± 15 В и другие напряжения) с их регулировкой для контроля работоспособ­ности ТЭЗа в предельных условиях (обычно на ± 5 %), защиту ис­точника и ТЭЗа от перегрузок и замыканий при неисправности или ошибочных действиях персонала и измерение тока, потребляемого от каждого источника. Классификационными параметрами источников питания являются: количество и номиналы выдаваемых напряжений, пределы регулирования, стабильность и амплитуда пульсации, мак­симальный ток.