Материал: Функциональные узлы цифровой электроники. методические указания к выполнению лабораторных работ № 1-4 по дисциплине Цифровая электроника. Герасимов М.И

Контроль состояния входных цепей ТЭЗа необходим потому, что неисправность тех или иных цепей СЦЭ вызывается зачастую не выходом из строя источника соответствующего сигнала, а обры­вом или замыканием на входе одного из приемников этого сигнала. Особенно существенно это в цепях магистральной связи. Для фор­мирования тестовых входных сигналов в состав стенда вводят гене­раторы и формирователи одиночных импульсов, прямоугольных, сину­соидальных, пилообразных и других сигналов, генераторы импульс­ных последовательностей и кодовых комбинаций и т.п. Их классифи­кационными параметрами являются форма задаваемых сигналов, их стабильность, перестраиваемость, нагрузочная способность. Мини­мальный объем тестовых сигналов для логических схем включает уровни логического нуля (далее – "лог.0"), логической единицы ("лог.1") и отключение входа от источника (высокоимпедансное состояние).

Для индикации и регистрации сигналов, снимаемых с ТЭЗа, в состав стенда должны входить устройства, охватывающие весь диапазон измеряемого сигнала (напряжений, разрядности кодов и т.п.), способные преобразовывать его в удобную для анализа форму, обычно с выделением характерных уровней (например, логических). Простейшими из них являются пороговые схемы со светодиодами и стрелочные измерительные приборы. В стендах и комплексах высокой сложности реализуются сложные алгоритмы измерений и обработки сигналов (например, логический и сигнатурный анализ цифровых сигналов, частотный анализ сигналов), а также их визуализация, запись в накопитель длительного хранения и автоматическое изменение хода проверки по результатам изме­рений. Обычно такие комплексы строятся на базе многопроцессорной ЭВМ.

Измерение сигналов в промежуточных точках, обозначенных как контрольные, и необозначенных, выбранных наладчиком, произво­дится с помощью щупов и клипс (многоконтактных щупов), связанных со стендом или автономных. Последние имеют простейшие индикатор­ные элементы, схемы контроля наличия импульсов и их счета ("ловушки") и т.п.

Естественно, что в полном наборе перечисленные выше узлы присутствуют только в контрольно-измерительных комплексах максимальной сложности. Однако возможности более простых стендов также могут быть расширены путем подключения соответствующего самостоятельного прибора /3/. Так, например, для измерения динамических параметров сигналов и временных сдвигов между ними обычно используют многоканальные или многолучевые осциллографы.

Как при стендовом контроле ТЭЗов, так и при их проверке на штатных местах необходимо иметь в виду, что только малая часть неисправностей радиоэлектронной аппаратуры, в частности СЦЭ, вы­зывается отказом элементов, а абсолютное большинство – отсутс­твием где-либо электрического контакта или, наоборот, возникно­вением ложных цепей. Исходя из этого, в цепях ТЭЗа, имеющих не­исправности, следует в первую очередь тщательно проверять состо­яние разъемов, паек и проводников.

2.3. Назначение, состав и органы управления наладочного стенда нс-2

В данной и последующих работах для монтажа и исследования функциональных узлов средств вычислительной техники будет использоваться наладочный стенд НС-2, позволяющий без пайки, путем коммутации гнезд специальными проводниками со штырьками обеспечить питание исследуемого узла необходимыми напряжениями, контроль состояния входных цепей, формирование тестовых сигналов и их подачу на входы узла, индикацию выходных и промежуточных сигналов.

Настольный стенд НС-2 предназначен для наладки плат (субблоков) ЭВМ, устройств ЧПУ и управляющих систем роботов, а также для проверки работоспособ­ности цифровых микросхем. Структурная схема стенда НС-2 показана на рис. 1.1. В состав стенда входят источники питания, генератор синусоидального сигнала, формирователь прямоугольных импульсов регулируемой скважности, генератор одиноч­ного прямоугольного импульсного сигнала, устройство обнаружения коротких импульсов, узел выдачи уровней "лог.0" и "лог.1", устройство индикации логических уровней и коротких импульсов, узел измерения токов и напряжений, пульт управления с органами управления и индикации (верхняя часть лицевой панели пульта), рабочая панель с коммутационными полями, разъемами для установки проверяемых плат и колодкой (контактирующим устройством – КУ) для установки микросхем (нижняя часть лицевой панели). Общий вид рабочей панели приведен на рис. 1.2.

Питание стенда осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В, на правой боковине установлена розетка 220 В для питания дополнительной аппаратуры (осциллографа, паяльника). Включение питания производится тумблером "СЕТЬ" на пульте управления и индикации, расположенном над ра­бочей панелью.

Источники питания выполнены в виде трех компен­сационных стабилизаторов (+5 В, +12 В, –12 В), пита­ющихся от выпрямителей. При включении выключателя ''+5 В" на пульте управления напряжение +5 В подается на клемму ХТ5 и соответствующие гнезда коммутацион­ных полей ХS3 и XS7,а также поступает в цепи питания логических узлов стенда. Источники напряжений +12 В и –12 В соединены последовательно. Напряжения +12 В и –12 В через переключатель "12 В" – "24 В" подаются на клеммы ХТ1 и ХТ2. В положении "12 В" на клемму ХТ1 подается +12 В, на клемму ХТ2 – минус 12 В, а общая точка этих источников заземляется (соединяется с корпусом и клеммами ХТ3, ХТ4). В положении "24 В" общая точка этих источников отключается от "земли", а заземляется вывод, имеющий положительный или отри­цательный потенциал – в зависимости от положения со­седнего переключателя "+24 В" – "–24 В". При этом вывод второго источника получает потенциал 24 В. Та­ким образом, в положении "+24 В" суммарное напряжение (+24 В) подается на клемму ХТ1, клемма ХТ2 за­земляется, в положении "–24 В" клемма ХТ1 заземляет­ся, а на клемму ХТ2 подается напряжение минус 24 В. Внешнее заземление клемм ХТ1 и ХТ2 (соединение с клеммами ХТ3 и ХТ4) недопустимо. От источников +12 В и –12 В питается также генератор синусоидального напряжения. В положении "24 В'' он отключается, синусоидальный сигнал и формирующиеся из него импульсы (см. ниже) не выдаются. Регулировка выходных напря­жений источников не предусмотрена (возможна только подстройка в ходе профилактических работ), стабильность напряжений ±5 %, амплитуда пульсаций в паспорте не указана. Источники оборудованы схемами ограничения потребляемого тока, отрегулированными на 1 А для источника 5 В и на 0,25 А для источников 12 В. Выход на режим ограничения тока (например, в резуль­тате короткого замыкания) связан с интенсивным на­гревом выходного транзистора и возможным выходом его из строя, поэтому студентам рекомендуется перед подачей питания тщательно проверять собранные ими цепи.

Рис. 1.1. Структурная схема лабораторного стенда НС-2

Рис. 1.2. Общий вид рабочей панели стенда НС-2

Генератор синусоидального напряжения стенда выполнен в виде операционного усилителя, умощненного двухтактным транзисторным каскадом и охваченного частотнозависимой положительной ОС (мост Вина) и стабилизирующей отрицательной ОС по амплитуде. Пас­портные значения параметров выдаваемого сигнала: амплитуда – 0...2 В, частота – от 50 герц до 300 килогерц, форма близка к синусоидальной, нагрузочная способность не приводится. Регулировка выходного напряжения выполняется потенциометром ''АМПЛ. ГСН", изменение частоты – переключателем (грубо) и регуля­тором (плавно) "ЧАСТОТА ГТИ-ГСН". Выходной сигнал подается на клемму ХТ6 и соответствующие гнезда ком­мутационных полей XS3 и XS7.

Вырабатываемое генератором синусоидальное на­пряжение используется также для формирования коротких импульсов синхронизации, парафазно выводимых на клеммы ХТ7 и ХТ8 (нагрузочная способность выходов – 30 входов логических элементов серии К155) и для запуска формирователя прямоугольных импульсов регулируемой длительности, названного разработчиками генератором тактовых импульсов (ГТИ). Напряжение ГТИ соответствует стандартным уровням ТТЛ, частота равна частоте синусоидального сигнала и регулируется пере­ключателем и регулятором ''ЧАСТОТА ГТИ-ГСН", а дли­тельность импульсов – переключателем и регулятором "ДЛИТ ГТИ". В положениях переключателя "ЧАСТОТА" 1 МГц и 5 МГц частота и длительность импульсов плав­но не регулируются. Выходной сигнал ГТИ парафазно выведен на соответствующие гнезда коммутационных полей XS3 и XS7. Нагрузочная способность выходов – 30 входов логических элементов серии К155.

Генератор одиночного прямоугольного импульс­ного сигнала собран на логических элементах ТТЛ, его питание осуществляется от источника + 5 В, длительность импульса устанавливается переключателем и ре­гулятором "ДЛИТ ГОИ". Запуск генератора производится кнопкой "ПУСК ГОИ". Выходной сигнал парафазно выве­ден на соответствующие гнезда коммутационных полей XS3 и XS7. Нагрузочная способность выходов – 30 вхо­дов логических элементов серии К155.

Устройство выдачи уровней "лог.0" и "лог.1" представляет собой два последовательно соединенных логических элемента буферной (умощненной) микросхемы К155ЛА6. Входы первого элемента заземлены, а с выхо­дов снимаются соответственно уровни "лог.1" и "лог.0", которые подаются на соответствующие гнезда коммутационных полей ХS3 и ХS7. Нагрузочная способ­ность выходов – 30 входов логических элементов серии К155.

Устройство обнаружения коротких импульсов обес­печивает выявление коротких (длительностью не менее 40 нс) импульсов или пауз и представляет собой дели­тель частоты сигналов на два (триггер К155ТМ2) с защитным стабилитроном на входе и возможностью инвер­тирования входного сигнала. Триггер подключается к входной клемме ХТ11 в положении " " переключателя режимов световой индикации "РЕЖИМ СИ" непосредствен­но, в положении " " – через инвертор. Выходной сиг­нал устройства подается на вход устройства индикации логических уровней.

Устройство световой индикации логических уров­ней и коротких импульсов выполнено на логических элементах, транзисторах КТ315В и индикаторных лампах НСМ-6,3-20. В положении " " («ступенька») переключателя "РЕЖИМ СИ" на индикацию выводится потенциал входной клеммы ХТ11, в положениях " " и " " – состояние триггера обна­ружения коротких импульсов. Для подключения входа устройства к анализируемой точке пульт комплектуется проводником со щупом и штекером, соединяемым с клеммой ХТ11.

Узел измерения токов и напряжений состоит из микроамперметра и расположенного рядом с ним переключателя с добавочными резисторами и шунтами. В по­ложении переключателя "+5 В" вход измерителя подклю­чается к выходу источника +5 В, в остальных положе­ниях измеритель подключается между клеммами ХТ9 и ХТ10 "ВХОД UxJx". Полярность сигнала, подаваемого на ХТ9, должна совпадать с полярностью, указанной у выбранного положения переключателя. Измерение токов происходит только во время нажатия кнопки "ИЗМ ТОКА"

Рабочая панель содержит входные и выходные клеммы, коммутационные поля, разъемы для установки проверяемых плат и контактирующее устройство для установки микросхемы. Набор разъемов обеспечивает одновременную наладку одной или двух плат с исполь­зованием дополнительной микросхемы. Разъемы для установки проверяемых плат, размещенные на рабочей панели, электрически объединены в две группы: XS1-XS2-XS9 и XS4-XS5-XS8.

При этом предусмотрено использование разъемов XS1, XS5, ХS8, ХS9 для установки исследуемых плат, а соединенных с ними разъемов XS2, XS4 и XS5 (если он свободен) для коммутации контактов плат между собой и с кон­тактами коммутационных полей XS5, XS7, а также для наблюдения сигналов с помощью устройства световой индикации, осциллографа и других приборов. Коммутация выполняется проводниками со штырьками, хранящимися под крышкой в нижней части рабочей панели.

2.4. Применение стенда нс-2 в данном цикле работ

Для сборки узлов ВТ из отдельных микросхем (в корпусах типа DIP) и контроля за их работой в разъем ХS8 вставлена переходная плата с тремя колодками (пронумеруем их, считая от пульта управ­ления к себе). Гнезда колодок соединены с гнездами разъемов ХS4 и ХS5. Каждая колодка имеет 16 гнезд. Микросхемы следует уста­навливать так, чтобы первый вывод попал в гнездо, отмеченное на плате точкой. Коммутация выводов микросхем (МС) и гнезд разъемов ХS4, ХS5 для микросхем, имеющих 14 выводов, приведена в табл. 1.1, а для 16-выводных микросхем – в табл. 1.3.

Д ля наблюдения за логическими состояниями выходов исследуемых мик­росхем можно использовать как штатные световые индикаторы стенда, так и дополнительный модуль индикации МИ, представляющий собой микросхему К155ЛА8 со светодиодами (схема МИ при­ведена на рис.1.3), которую следует устанавливать в колодку 3. При этом нужно следить, чтобы с точкой на плате совпал вывод 1 микросхемы (счи­тая от ключа против часовой стрелки). Вывод 7 микросхемы следует подключить к шине "ЗЕМЛЯ" стенда, а вывод 14 – к шине "+ 5 В". Местонахождение входов МИ приведено в табл. 1.1. При такой нумерации входов ближайший к экспери­ментатору светодиод управляется от Вх0,

Таблица 1.6

3. Не устанавливая микросхемы в колодки, выполните коммутацию согласно разработанной таблице. При сборке разветвленных цепей на стенде удобно чередовать перемычки на XS4 и XS5, пользуясь тем, что одноименные контакты этих разъемов соединены параллельно.

4. Включите питание стенда, убедитесь, что не возникло короткого замыкания (стрелка микроамперметра откло­нилась в правую часть шкалы), проверьте наличие и правильность всех соединений. Проверку следует проводить, начиная с цепей питания + 5 В и 0 В, тестовых сигналов, подаваемых с XS3, XS7, затем пе­реходить к связям между выходами микросхем.

5. Установите в колодки микросхемы, включите питание, выполняйте исследование согласно плану. Во избежание ошибок результаты немедленно записывайте.

В случае неправиль­ного функционирования учтите, что причиной может быть отсутствие контакта между разъемом XS8 и переходной платой либо между микросхемой и колодкой. В этом случае удобно пользоваться индикатором стенда, установив режим " " («ступенька») и подключая щуп непосредственно к выводам микросхем.

3. Порядок выполнения лабораторной работы

3.1. Предварительное задание

3.1.1. Изучите теоретические сведения по назначению и пара­метрам наладочных стендов, назначение, принцип действия, основ­ные технические данные и характеристики наладочного стенда НС-2 и порядок работы на нем.

3.1.2. Составьте заготовку отчета согласно п. 1.4 раздела "Общие положения", включив в нее структурную схему стенда.

следующие – от Вх1 и Вх2, а последний – от Вх3. Свечение диода означает наличие на соответствующем входе логических единиц или отсутствие источника сигнала ("висящий" вход).

В табл. 1.2 дан перечень сигналов стенда, выведенных на коммутационное поле XS3 для подачи на испытываемые микросхемы, в табл. 1.4 – сигналов, выведенных на XS7, а в табл. 1.5 – коммутация XS7 с колодкой XS6, также предназначенной для исследова­ния микросхем. В графе "МС" этой таблицы приведены номера выводов микросхемы в корпусе DIP-14.

Для проведения экспериментов необходимо на стадии выполнения предварительного задания подготавливать таблицу коммутации гнезд стенда. Она заполняется на основе принципиальной схемы очередного эксперимента и таблиц соответствия 1.1-1.5. Рекомендуемый вид рабочей таблицы коммутации приведен в табл. 1.6. Источником сигнала могут быть либо гнезда разъемов XS3 и XS7, либо выходы микросхем в колодках, входы МИ и микросхем являются приемниками.

Т

Перечень подлежащих выполнению процедур составляется в ходе выполнения рабочего задания в виде протокола его выполнения.

Правила работы со стендом

1. Перед использованием стенда произведите его внешний осмотр, убедитесь в отсутствии механических повреждений, в наличии заземления и в том, что тумблеры «СЕТЬ» и «+5 В» выключены.

2. Переключатель пределов измерения на пульте ус­тановите в положение "+5 В". Подключите шнур питания к розетке 220 В, включите тумблер "СЕТЬ", затем тум­блер "+5 В". Стрелка микроамперметра должна откло­ниться в правую часть шкалы. Выключите тумблеры.

3. Не устанавливая микросхемы в колодки, выполните коммутацию согласно разработанной таблице. При сборке разветвленных цепей на стенде удобно чередовать перемычки на XS4 и XS5, пользуясь тем, что одноименные контакты этих разъемов соединены параллельно.

4. Включите питание стенда, убедитесь, что не возникло короткого замыкания (стрелка микроамперметра откло­нилась в правую часть шкалы), проверьте наличие и правильность всех соединений. Проверку следует проводить, начиная с цепей питания + 5 В и 0 В, тестовых сигналов, подаваемых с XS3, XS7, затем пе­реходить к связям между выходами микросхем.

5. Установите в колодки микросхемы, включите питание, выполняйте исследование согласно плану. Во избежание ошибок результаты немедленно записывайте.

В случае неправиль­ного функционирования учтите, что причиной может быть отсутствие контакта между разъемом XS8 и переходной платой либо между микросхемой и колодкой. В этом случае удобно пользоваться индикатором стенда, установив режим " " («ступенька») и подключая щуп непосредственно к выводам микросхем.