DigitElectrLabsPart1 (Лабы)

МИНИСТЕРСВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образованияКАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТИНСТИТУТ ФИЗИКИОТДЕЛЕНИЕ РАДИОФИЗИКИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМКАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИИ. А. НасыровЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯЦИФРОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВЧасть 1. Функции алгебры–логики и синтез логических схемУчебно–методическое пособиеКазань — 2012УДК 631.396.6Печатается по решениюредакционно—издательского советаОтделения радиофизики и информационных системИнститута физикиКазанского (Приволжского) федерального университетаРецензентКандидат физ.–мат. наук, доцент Г. В. ТаюрскаяИ.

А. НасыровЛабораторный практикум. Основы построения цифровых логических устройств.Часть 1: Функции алгебры–логики и синтез логических схем. Учебно–методическоепособие. — Казань: Казанский университет, 2012. — 88 с.Лабораторный практикум по основам построения цифровых логических устройствпредназначен для самостоятельного освоения студентами радиофизических и технических специальностей.В части 1 рассмотрены способы математического описания работы цифровых логических устройств, а также основы синтеза цифровых устройств с заданными техническими характеристиками.Лабораторный практикум базируется на использовании образовательной платформыNational Instruments ELVIS II+ совместно с отладочной платой Digital Electronics FPGABoard.

В процессе выполнения лабораторных работ студенты получат начальные навыки проектирования электронных устройств с использованием технологии LabVIEW.cКазанский(Приволжский) федеральный университет, 2012.СодержаниеВведение51 ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПЛАТФОРМА NI ELVIS II+И ОТЛАДОЧНАЯ ПЛАТА NI DE FPGA BOARD1.1 Образовательная платформа ELVIS II+ .

. . . . . . . . . . . . . . . . .1.2 Отладочная плата Digital Electronics FPGA Board . . . . . . . . . . . .1.3 Подключение отладочной платы DE FPGA Board в режиме NI ELVIS1.3.1 Подключение электропитания . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.2 Выбор способа загрузки ПЛИС . . . . . .

. . . . . . . . . . . .1.4 Зона макетирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.4.1 Сигнальная зона макетирования . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.4.2 Зона макетирования общего назначения . . . . . . . . . . . . .1.5 Аппаратная реализация периферийных устройств .

. . . . . . . . . . .1.5.1 Движковые переключатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.5.2 Кнопки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.5.3 Светодиоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.5.4 Двунаправленные линии общего назначения . . . . . . . . . . .1.5.5 Семисегментный индикатор с двумя знакоместами . . .

. . . .1.5.6 Вращающаяся нажимная кнопка и светодиоды . . . . . . . . . ...............................6679910121212121213141415162 ОСНОВЫ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ И ВЫПОЛНЕНИЕЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ2.1 Логические константы и переменные. Операции Булевой алгебры . .2.2 Основные аксиомы и законы алгебры–логики . . . . . .

. . . . . . .2.3 Способы записи функций алгебры логики . . . . . . . . . . . . . . .2.3.1 Словесное описание ФАЛ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3.2 Описание ФАЛ в виде таблицы истинности . . . . . . . . . .2.3.3 Описание ФАЛ в виде алгебраического выражения .

. . . . .2.3.4 Описание ФАЛ в виде последовательности десятичных чисел2.3.5 Кубические комплексы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .................1717192121212224243 СИНТЕЗ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ3.1 Стандарты на условные графические обозначенияэлементов цифровых схем . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .3.1.1 Обозначение выводов логических элементов . . . . . . . . . .3.1.2 Базовые логические элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2 Синтез логического устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3 Переход от логической схемы к логической функции . . . . . . . . .Лабораторная работа №1. Знакомство с образовательной платформойNI ELVIS II+ и системой графического программирования LabVIEWЛР1.1.

Запуск LabVIEW и создание нового проекта . . . . . . . . . .3........26...............2627272930. . . 31. . . 32ЛР1.2. Создание функциональных блоков . . . . . . . . . . .ЛР1.3. Проектирование схемы, реализующей заданную ФАЛЛР1.4. Проверка результатов проектирования при помощи DEВыводы по лабораторной работе №1 . . . . . . . . .

. . . . . .Отчет по лабораторной работе №1 . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .FPGA Board. . . . . . .. . . . . . .34404446474 МИНИМИЗАЦИЯ ФУНКЦИЙ АЛГЕБРЫ–ЛОГИКИ4.1 Минимизация функций алгебры-логикипри помощи кубических представлений . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .4.2 Минимизация функций алгебры–логики с использованием карт Вейча . .Лабораторная работа №2. Реализация минимальной дизъюктивной и минимальной конъюнктивной нормальных форм в виде логического устройстваЛР2.1. Синтез логического устройства, описанного МДНФ . . . . . . .

.ЛР2.2. Синтез логического устройства, описанного МКНФ . . . . . . . .Выводы по лабораторной работе №2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Отчет по лабораторной работе №2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.3 Минимизация системы функций алгебры логики . . . . . . . . . . . . . .Лабораторная работа №3. Синтез оптимальной схемыкомбинацонного логического устройства .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .ЛР3.1. Синтез логического устройства, описанноготремя функциями алгебры–логики . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ЛР3.2. Синтез упрощенной схемы логического устройства . . . . . . . . .ЛР3.3. Синтез оптимальной схемы логического устройства .

. . . . . . . .Выводы по лабораторной работе №3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Отчет по лабораторной работе №3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .495 ФУНКЦИОНАЛЬНО ПОЛНАЯ СИСТЕМА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ5.1 Принцип двойственности . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.1.1 Функционально полная система логических элементов . . . . . . .5.2 Синтез логических схем в заданном базисе логических элементов . . . .Лабораторная работа №4. Создание логической схемы в заданном базиселогических элементов . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ЛР4.1. Синтез логической схемы в базисе логических элементов 2И–НЕЛР4.2. Синтез логической схемы в базисе логических элементов 2ИЛИ–НЕВыводы по лабораторной работе №4 . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .Отчет по лабораторной работе №4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73737375Литература88450515555565657596061626668697778788586ВведениеВ учебно–методическом пособии представлен лабораторный практикум по основампостроения цифровых логических устройств. При разработке настоящего лабораторного практикума реализован компетентностный подход, который будет способствоватьформированию и развитию профессиональных навыков у обучающихся. Согласно пункта 7.7 Федерального государственного образовательного стандарта третьего поколения(ФГОС-3) по направлению подготовки «011800 — Радиофизика», данный лабораторный практикум отнесен к категории внеаудиторной самостоятельной работы студентов.В связи с этим в учебно–методическом пособии кроме, собственно, описания лабораторных работ дан теоретический материал в объеме, достаточном для выполнениярасчетной и практической частей работы.

Несмотря на это, при освоении теории будеточень полезно ознакомиться с дополнительной литературой [1, 2, 3].Выполнение лабораторной работы осуществляется в четыре этапа. Первый этап посвящен ознакомлению с теоретической частью.

На втором этапе необходимо выполнитьрасчетную часть работы. На третьем этапе осуществляется практическая реализациязаданного цифрового логического устройства. На четвертом этапе в процессе обсуждения результатов выполнения работы с преподавателем выставляется оценка за выполнение лабораторной работы. Каждая лабораторная работа снабжена специальнымбланком отчета, который необходимо распечатать и заполнять его по мере выполнения расчетных и практических заданий.Учебно–методическое пособие состоит из трёх частей.Часть 1 посвящена способам математического описания работы цифровых логических устройств, а также основам синтеза цифровых устройств с заданными техническими характеристиками.В части 2 рассмотрены принципы построения и функционирования основных узловкомбинационных логических устройств (автоматов без памяти).В части 3 рассмотрены особенности построения последовательностых логическихустройств (автоматов с памятью).В результате освоения лабораторного практикума по основам построения цифровыхлогических устройств обучающийся должен:знать: основные принципы, законы построения и функционирования цифровых электронных систем, теоретические и экспериментальные методы оценки параметров электронных приборов;уметь: пользоваться основными методами расчета радиотехнических и электронныхсистем;владеть: навыками работы с современным экспериментальным оборудованием, методами обработки данных;Практическая часть практикума базируется на использовании образовательной платформы National Instruments ELVIS II+ совместно с отладочной платой Digital ElectronicsFPGA Board.

В процессе выполнения лабораторных работ обучающиеся получат начальные навыки проектирования электронных устройств с использованием технологииLabVIEW.5Глава 1ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПЛАТФОРМАNI ELVIS II+ И ОТЛАДОЧНАЯПЛАТА NI DE FPGA BOARD1.1Образовательная платформа ELVIS II+Образовательная платформа NI ELVIS II+ (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite II+ ) представляет собой аппаратно–программныйкомплекс, в состав которого входит комплект виртуальных измерительных приборов, атакже информация, необходимая для работы с этими приборами.Образовательная платформа для проектирования и создания прототипов NI ELVIS II+выполнена на базе среды графической разработки NI LabVIEW.