Лабораторный практикум, страница 7

Какое устройство называется интегратором и каковы его свойства?

Поясните, каким образом с помощью интегратора могут быть сформированы напряжения треугольной или пилообразной формы?

Лабораторная работа № 11. Исследование логических элементов и импульсных схем

Цель работы: исследование логических элементов, триггеров и счетчиков импульсов, выполненных на основе 155-серии цифровых интегральных микросхем.

Краткие теоретические сведения

К цифровым интегральным микросхемам относятся устройства, с помощью которых преобразуются и обрабатываются сигналы, выраженные в двоичном или другом цифровом коде. Используемые при этом сигналы близки по форме к прямоугольным и имеют два фиксированных уровня напряжения. Уровню низкого напряжения обычно приписывается символ «0», уровню высокого напряжения – «1».

Основой цифровых микросхем является логический элемент, предназначенный для преобразования входных сигналов в выходные по определенному закону, причем те и другие принимают только значения «0» и «1». Обозначим входные сигналы «Х», а выходные – «Y», получим логическую функцию Y=F(X). Логическая функция записывается в виде математических символов или таблиц.

О
сновными логическими функциями являются: Y= – отрицание, инверсия или «НЕ» (табл.1); логическая сумма, дизъюнкция или функция «ИЛИ» (табл.2) ; логическое произведение, конъюнкция или функция «И» (табл.3) . Используя законы алгебры логики, на основе этих элементарных логических функций можно получить более сложные логические функции.

На рис. 1, 2 и 3 приведены обозначения логических элементов, выполняющих соответствующие функции «НЕ», «ИЛИ» и «И».

VT₁

VT₂

Логические элементы конструируются на основе ключевых схем, которые могут иметь различное конструкторско-технологическое исполнение. Совокупность цифровых микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, выполняющих различные логические функции и предназначенные для совместного исполнения, называется серией интегральных схем.

Логические элементы 155-серии

П
о конструкторско-технологическому исполнению цифровые микросхемы 155-серии относятся к классу элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Основой этого класса элементов является использование многоэмиттерного транзистора. На рис. 4а приведена базовая схема ТТЛ, выполняющая логическую функцию «И-НЕ» (рис. 4.б).

Схема питается напряжением Е_п = 5 В. Содержит многоэмиттерный транзистор VТ₁, транзистор VТ₂, резисторы R₁ и R₂, обеспечивающие ключевой (импульсный) режим работы транзисторов VТ₁ и VТ₂. Если хотя бы на одном из входов (например Х₁) действует логический «0», эмиттерный переход транзистора VТ₁ открыт, напряжение U_Т2бэ транзистора VТ₂ мало и он закрыт. Сигнал на выходе логического элемента У=1. При наличии на всех входах VТ₁ логической «1» напряжение U_Т1бэ мало и эмиттерные переходы VТ₁ закрыты. Током I_б транзистор VТ₂ открыт, сигнал на его выходе У=0. На рис.5 приведена передаточная характеристика элемента И-НЕ. Из нее следует, что входные напряжения логических «0» и «1» соответственно равны U_вх0 = 0,2 В и U_вх1 = 1,2 В. Выходные напряжения логических «0» и «1» – U_{вых0} = 0,4 В, U_{вых1} = 2,4 В.

На базе элементов И-НЕ, путем различных способов их подключения между собой, формируются другие элементы серии 155, выполняющие различные логические функции.

Триггеры

Триггером называется электронное устройство, способное сохранять двоичную информацию (состояния равновесия «0» и «1») после окончания действия входных импульсов. Они широко используются для формирования прямоугольных импульсов, в счетчиках импульсов, в регистрах памяти и т.д.

По функциональному признаку различают: R-S; D; J-K - триггеры. По способу управления триггеры подразделяют на асинхронные и тактируемые. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход тактовых импульсов. Их переключение осуществляется только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.

Асинхронные R-S - триггеры являются наиболее простыми, однако получившими широкое распространение в импульсной технике, т.к. служат основой для триггеров других типов и требуют для своего построения всего два базовых логических элемента.

На рис. 6а приведена структурная схема асинхронного R-S - триггера на логических элементах И-НЕ. Схема имеет информационные входы и (инверсные), два выхода: Q - прямой, - инверсный. Состоянию логической «1» соответствует Q = 1, = 0, состоянию логического «0» – Q = 0, = 1, которые принимает триггер после прихода на входы R и S очередных импульсов. Из таблицы истинности 5 следует, что при = = 1 триггер сохраняет предыдущее состояние Q_n. При переходе из состояния = = 0 сразу в состояние = = 1 триггер принимает неопределенное состояние, поэтому такая комбинация входных сигналов является запрещенной. R-S триггер является триггером с раздельным по входам и запуском. Его условное изображение показано на рис. 6б.

D-триггеры являются триггерами с временной задержкой. Они имеют информационный D-вход и тактируемый Т-вход: Состоянию логической «1» соответствует единица на входе, а состоянию логического «0» – нулевой уровень входного сигнала. Условное обозначение D-триггера и временные диаграммы его работы приведены на рис. 7. Из диаграммы видно, что при наличии информационного сигнала на входе в интервале времени триггер не переключается. При приходе тактового импульса он переключается (момент ) и примет исходное состояние при следующем тактовом импульсе в момент . Таким образом, D-триггер характеризуется задержкой переключения во времени на период тактовых импульсов.

D-триггеры конструируются на основе R-S триггеров.

Т-триггер – триггер со счетным Т-входом. Характерным свойством Т‑триггера является его переключение в противоположное состояние с приходом каждого очередного входного импульса. Ввиду его широкого применения в счетчиках импульсов его часто называют триггером со счетным запуском. Обычно он выполняется на базе R-S триггеров. Его условное обозначение приведено на рис. 8.

J-K триггер получают на основе Т-триггеров. Они имеют дополнительные информационные входы J и K. Наличие двух дополнительных входов расширяет функциональные возможности триггеров, в связи с чем J - K триггеры называют универсальными. При соответствующем включении J и K входов триггера могут быть получены R-S, D и Т-триггеры. При этом R-S, D и Т-триггеры получаются тактируемыми. R-S триггер (рис. 9а) получают объединением J и S, R и K входов. D -триггер создают (рис. 9б) введением инвертора между входами J и K. Т - триггер (рис. 9в) реализуют подключением J и K входов ко входу Т.

Счетчики импульсов

Счетчик – устройство, предназначенное для счета числа электрических импульсов, поступающих на его вход. Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров.

Наиболее простым счетчиком является двоичный счетчик, осуществляющий счет поступающих импульсов в двоичной системе счисления. Такой счетчик (рис. 10) состоит из «n» триггеров (регистров) со счетным запуском. Максимальное число импульсов, которое может сосчитать счетчик при последовательном соединении триггеров составит N = 2ⁿ - 1. Для четырехразрядного счетчика (рис. 10) N = 2⁴ - 1 = 15. Временная диаграмма состояний счетчика приведена на рис. 11.

Перед поступлением входных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние «0» (Q1=Q2=Q3=Q4=0) подачей импульсов на вход «установка нуля». После поступления первого счетного импульса первый разряд переходит в соcтояние Q1 = 1. В счетчик записывается число 1. По окончании второго импульса первый разряд счетчика переходит в состояние «0», второй – «1». В счетчике записывается число 2 с двоичным кодом 0010. Подобным же образом осуществляется работа счетчика при последующих счетных импульсах (см. рис. 11 и табл. 6). При поступлении 15-го импульса все разряды счетчика устанавливаются в состояние «1», а 16-м импульсом все разряды обнуляются.

Таблица 6

№ имп.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Q1	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0
Q2	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0
Q3	0	0	0	1	1	1	1	0	0	0	0	1	1	1	1	0
Q4	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1	0

В процессе работы двоичного счетчика частота следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его исходных импульсов (см. рис. 11). Это свойство схемы используют для построения делителей частоты.