МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ по изучению цифровых устройств на демонстрационном стенде «КОМБИНАЦИОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ
Государственное профессиональное образовательное учреждение
«ДОНЕЦКИЙ ТЕХНИКУМ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ»
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
по изучению цифровых устройств
на демонстрационном стенде
«КОМБИНАЦИОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА»
для студентов специальностей:
10.02.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»
НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ 10.00.00 Информационная безопасность
11.02.09 «Многоканальные телекоммуникационные системы»
11.02.11 «Сети связи и системы коммутации»
НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ 11.00.00 Электроника, радиотехника и системы связи
Подготовил преподаватель
РОЖКОВА| И.В.
Донецк, 2016
Составитель:
Рожкова И.В. – преподаватель ГПОУ «Донецкий техникум промышленной автоматики», специалист высшей категории
Рецензенты:
Буланая Л.Ф. –зав. отделением Телекоммуникаций ГПОУ «ДТПА», специалист высшей категории.
Сацюк А. В. – старший преподаватель кафедры «Автоматика, телемеханика, связь и вычислительная техника» Донецкого института железнодорожного транспорта.
Рассмотрено и одобрено на заседании ЦК телекоммуникаций и информационной безопасности
Протокол № 2 от 03.10.2016 г.
Председатель цикловой комиссии ______________И.В.Рожкова
Учебно-практическое пособие предназначено для преподавателей для сопровождения лекционного материала визуальными демонстрациями. Полезно для аудиторной и самостоятельной работы студентов специальностей 10.02.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», 11.02.09 «Многоканальные телекоммуникационные системы», 11.02.11 «Сети связи и системы коммутации» при изучении раздела «Логические основы ЭВМ» дисциплины «Вычислительная техника».
Пособие состоит из 3 разделов, включающих в себя описание демонстрационного стенда, кратких теоретических сведений по изучаемым устройствам, инструкций по демонстрации работы устройств стенда.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
4
1
Демонстрационный стенд «Комбинационные цифровые устройства»
5
1.1
Постановка задачи и основные технические требования
5
1.2
Состав и методические возможности стенда
6
2
Краткие теоретические сведения
8
2.1
Логические элементы
8
2.2
Генератор прямоугольных импульсов
11
2.3
Дешифраторы
12
2.4
Мультиплексоры
13
2.5
Сумматоры
14
3
Инструкции по демонстрации работы устройств стенда
15
3.1
Демонстрация работы логических элементов
15
3.2
Демонстрация работы генератора прямоугольных импульсов
16
3.3
Демонстрация работы дешифратора
16
3.4
Демонстрация работы мультиплексора
17
3.5
Демонстрация работы сумматора
17
Список использованных источников
18
ВВЕДЕНИЕ
Главная задача промышленности в динамичном, пропорциональном развитии общественного производства и повышения его эффективности, ускорении научно-технического прогресса, роста производительности труда, улучшения качества продукции.
Развивающиеся научно-техническая революция, быстрый рост существующих и появление новых отраслей промышленности вызывает, в свою очередь, необходимость дальнейшего развития системы высшего и среднего специального образования, повышения качества подготовки молодых специалистов для всех отраслей промышленного производства.
При этом все четче на первый план выступает потребность в подготовке не просто хороших специалистов, обладающих той или иной определенной суммой знаний, но прежде всего людей умеющих творчески мыслить, способных быстро адаптироваться к непрерывно изменяющимся требованиям научно-технического прогресса.
Таким образом, задача подготовки высококвалифицированных кадров, вооруженных современными знаниями, практическими навыками, является одной из важнейших задач на данном этапе. Поэтому сейчас, как никогда остро, ощущается необходимость приложения максимальных усилий для совершенствования содержания обучения, средств и методов подготовки специалистов.
Одним из направлений, по которому должно идти это совершенствование, является развитие и укрепление материально-технической базы учебных заведений. Сюда относятся, в первую очередь, широкое внедрение технических средств обучения, оснащение лабораторий и кабинетов новейшим оборудованием и приборами, модернизация лабораторных стендов и макетов, с учетом последних достижений науки и техники на современной компонентной базе.
Выполнение студентами лабораторных работ является важным средством более глубокого усвоения и изучения учебного материала, а также приобретения практических навыков по экспериментальному исследованию и обращению с измерительными приборами. Также важно при объяснении теоретического материала для более лучшего его понимания иметь возможность продемонстрировать работу тех или иных устройств. Тогда к моменту выполнения лабораторной работы студент будет иметь четкое представление о том, что ему нужно получить при исследовании.
С этой целью был разработан и смонтирован демонстрационный стенд по изучению некоторых комбинационных цифровых устройств из курса дисциплины «Вычислительная техника».
1 ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ СТЕНД «КОМБИНАЦИОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА»
1.1 Постановка задачи и основные технические требования
Назначение стенда – демонстрация принципа работы и возможностей комбинационных цифровых устройств при проведении лекционных занятий. Таким образом, студенты уже на начальном этапе изучения устройств получат наглядное представление о принципе действия и методах управления устройствами, что значительно упростит понимание материала и облегчит дальнейшее проведение лабораторных работ.
С учетом технических и методических задач можно сформулировать основные требования по конструированию стенда:
1) стенду необходимо иметь по возможности максимальные размеры. Это необходимо для того, чтобы студенты могли производить наблюдения, находясь на местах;
2) стенд должен быть устойчив к механическим вибрациям, которые могут возникнуть при эксплуатации;
3) стенд должен обеспечивать максимальную наглядность изучаемых цифровых устройств;
4) стенд должен иметь минимальное количество внешних соединительных проводников для коммутации, так как соединительные проводники контактных разъемов не обеспечивают надежного соединения;
5) стенд необходимо выполнить таким образом, чтобы в процессе проведения наблюдений можно было бы использовать измерительные приборы;
6) элементной базой стенда должны быть интегральные микросхемы широко распространенных серий К155. Что касается индикаторных элементов, то они также должны быть доступными.
Все эти требования положены в основу разработки схемы, внешнего вида и конструкции данного демонстрационного стенда.
1.2 Состав и методические возможности стенда
Методические возможности стенда:
- демонстрация работы основных логических элементов;
- демонстрация работы дешифратора;
- демонстрация работы мультиплексора;
- демонстрация работы сумматора;
- демонстрация работы генератора прямоугольных импульсов.
Для того чтобы устройства работали раздельно, не отвлекая внимание студентов, в стенде предусмотрена возможность подключения каждого исследуемого устройства коммутацией напряжения питания 5В (гнезда Uп.+5В). Для индикации входных и выходных уровней логической информации на всех устройствах используются светодиоды красного свечения.
Подача логических сигналов 1 и 0 для устройств со статическим управлением осуществляется с помощью проводников (гнезда “1” и ”0”).
Источник питания предназначен для питания стенда от сети 220 В. Он вырабатывает постоянное напряжение 5В при токе 0,5А. Источник питания собран на микросхеме КР142ЕН5А (стабилизатор с фиксированным выходным напряжением 5В).
2 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1 Логические элементы
В основу работы цифровых микросхем положена двоичная система счисления. В этой системе используются два значения: 0 и 1. Сигнал 0 соответствует низкому уровню напряжения на выходе логического устройства, 1 – высокому уровню напряжения. С помощью нулей и единиц двоичной системы можно записать (закодировать) любое десятичное число.
Логическая функция И называется конъюнкцией и выполняет операцию логического умножения, ((, (, (): y = х1(х2(х3(хn
f (х1, х2,,хn) = х1(х2(х3(хn
Функция И равна 1 только при равенстве всех аргументов 1, т.е., если х1=1, х2=1, хn=1. Значения аргументов и функции записывают в таблицу, которая называется таблицей истинности. Часто операцию И называют операцией логического умножения (т.к. таблица истинности данной операции аналогична таблице умножения 0 и 1).
Таблица 1 – Таблица истинности функции И
x1
x2
y
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
0
1
Логический элемент, выполняющий данную функцию, называется логическим элементом И, конъюнктором или схемой совпадения.
Рисунок 1 – Логический элемент И
Элемент И имеет два входа и один выход. Напряжение высокого уровня на выходе присутствует в том, и только в том случае, если на обоих входах также напряжения высокого уровня.
Логическая функция ИЛИ называется дизъюнкцией и выполняет операцию логического сложения, (+,V,1): y = х1Vх2Vх3Vхn
f (х1, х2,,хn) = х1Vх2Vх3Vхn.
Функция ИЛИ равна 1, если хотя бы один из аргументов х1, или х2, или хn равен 1. Выражение будет ложным только тогда, когда оба высказывания х1 и х2 будут ложны. Часто операцию ИЛИ называют логической суммой (т.к. первые три соотношения таблицы аналогичны сложению двух чисел).
Таблица 2 – Таблица истинности функции ИЛИ
x1
x2
y
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
Функция ИЛИ равна 1, когда хотя бы один из аргументов равен 1.
Логический элемент ИЛИ называется дизъюнктором или схемой сборки.
Рисунок 2 – Логический элемент ИЛИ
Элемент ИЛИ имеет два входа и один выход. Если хотя бы на одном из входов есть напряжение высокого уровня, то такое же напряжение будет на выходе
Логическая функция НЕ называется инверсией и выполняет функцию логического отрицания: 13EMBED Equation.31415.
Логический элемент НЕ (инвертор) имеет один вход и один выход. Если на вход подать напряжение высокого уровня, то на выходе установится напряжение низкого уровня, и наоборот, т. е. говорят, что входной сигнал инвертируется.
Таблица 3 - Таблица истинности функции НЕ
x
y
0
1
1
0
х 13 EMBED Equation.3 1415
Рисунок 3 – Логический элемент НЕ
Эти логические элементы позволяют реализовывать любую сложную логическую функцию. Однако для облегчения работы разработано и выпускается множество других логических элементов (И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ), реализованных в отдельных корпусах микросхем.
Функцию И-НЕ (операция Шеффера) складывают в два этапа: сначала выполняется конъюнкция входных высказываний, а потом над результатом выполняют операцию НЕ.
13EMBED Equation.31415
Таблица 4 – Таблица истинности функции И-НЕ
Входное высказывание
I этап
II этап
х1, х2
х1(х2
13EMBED Equation.31415
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
Элемент И-НЕ называют элементом Шеффера
Рисунок 4 – Логический элемент И-НЕ
Функцию ИЛИ-НЕ (функция Вебба) так же складывают в два этапа: сначала выполняется дизъюнкция входных высказываний, а потом над результатом выполняют операцию отрицания.
Таблица 5 – Таблица истинности функции ИЛИ-НЕ
Входное высказывание
I этап
II этап
х1, х2
х1vх2
13EMBED Equation.31415
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
Рисунок 5 – Логический элемент ИЛИ-НЕ
2.2 Генератор прямоугольных импульсов
Для более успешного понимания конкретного применения логических элементов в стенде предусмотрена демонстрация работы схемы генератора прямоугольных импульсов.
Данный генератор построен на трех логических элементах И-НЕ. Все элементы включены инверторами и соединены между собой последовательно. Времязадающую цепь, определяющую частоту генерации, образуют конденсатор С1 и резистор R1.
Рисунок 6 – Схема генератора импульсов
После включения питания какой-то из логических элементов быстрее других примет одно из двух возможных состояний и тем самым повлияет на состояние других элементов. Предположим, что элемент DD1.2 первым оказался в единичном состоянии. Сигнал высокого уровня с его выхода через незаряженный конденсатор С1 передается на вход элемента DD1.1, в результате чего это элемент устанавливается в нулевое состояние. В таком же состоянии оказывается элемент DD1.3, поскольку на его входах высокий уровень напряжения.
Такое электрическое состояние устройства неустойчиво, так как напряжение на входе элемента DD1.1 в это время постепенно уменьшается по мере разрядки конденсатора С1 через резистор R1 и выходную цепь элемента DD1.3. Как только напряжение на входе элемента DD1.1 станет равным пороговому, этот элемент переключается в единичное состояние, а элемент DD1.2 – в нулевое. Теперь конденсатор С1 начнет перезаряжаться через элемент DD1.3 (на его выходе в это время напряжение высокого уровня), резистор R1 и элемент DD1.2. Когда напряжение на входе первого элемента генератора превысит пороговое, все элементы переключатся в противоположное состояние. Так формируются прямоугольные импульсы на выходе схемы – выводе 8 элемента DD1.3.
2.3 Дешифраторы
Дешифраторы (декодеры) используются для преобразования двоичных чисел в небольшие по значению десятичные числа. Входы дешифратора (А0, А1) предназначаются для подачи двоичных чисел, при этом на определенном выходе (0,1,2 или 3) появляется сигнал, номер которого соответствует входному числу. На вход S должен подаваться стробирующий сигнал, разрешающий действие дешифратора в определенные моменты времени.
Дешифраторы имеют широкое применение. В частности, используются в устройствах, печатающих на бумаге выводимые из цифрового устройства числа или текст.
Таблица 6 – Таблица истинности дешифратора
Информационные входы
Стробирующий сигнал
Выходы
А1
А0
S
Y
*
*
1
-
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
2
1
1
0
3
Рисунок 7 – УГО ИМС дешифратора
2.4 Мультиплексоры
Адресные
входы
Строб.
сигнал
Выходы
А1
А0
S
Q
*
*
1
O
0
0
0
D0
0
1
0
D1
1
0
0
D2
1
1
0
D3
Мультиплексор – устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу. Мультиплексор имеет несколько информационных входов (D0, D1, ), адресные входы (А0, А1, ), вход для подачи стробирующего сигнала S и один выход Q. На рисунке 8 изображен мультиплексор с четырьмя информационными входами. Рядом приведена таблица истинности мультиплексора.
Рисунок 8 – УГО ИМС мультиплексора и его таблица истинности
Каждому информационному входу мультиплексора присваивается номер, называемый адресом. При подаче стробирующего сигнала на вход S мультиплексор выбирает один из входов, адрес которого задается двоичным кодом на адресных входах, и подключает его к выходу.
Таким образом, подавая на адресные входы адреса различных информационных входов, можно передавать цифровые сигналы с этих информационных входов на выход Q. Число информационных входов nинф. и число адресных входов nадр. связаны соотношением: nинф = 2nадр.
При отсутствии стробирующего сигнала (S=0) связь между информационными входами и выходом отсутствует.
2.5 Сумматоры
Сумматоры представляют собой функциональные узлы, выполняющие операцию сложения двоичных чисел.
По характеру действия делятся на:
- комбинационные (не имеющие элементов памяти);
- накопительные (сохраняющие результаты вычислений).
В зависимости от способа обработки чисел сумматоры бывают последовательными и параллельными.
В сумматоры первого типа коды чисел вводятся в последовательной форме, т.е. разряд за разрядом (начиная с младшего). В сумматоры второго типа каждое из слагаемых подается в параллельной форме, т.е. одновременно всеми разрядами.
Устройство для суммирования двух многоразрядных чисел должно иметь, начиная со второго разряда, три входа: два для слагаемых А, В и один для сигнала переноса 13 EMBED Equation.3 1415 с предыдущего разряда.
При последовательном вводе используется один общий для всех разрядов полный сумматор с дополнительной цепью задержки. Оба слагаемых кодируются последовательностями импульсов, которые синхронно вводятся в сумматор через входы А и В, начиная с младших разрядов. Цепь задержки обеспечивает характерные импульса переноса на время одного такта, т.е. до прихода пары слагаемых следующего разряда, с которыми он будет просуммирован.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рисунок 9 – Сумматор последовательного типа
При параллельном вводе число сумматоров равно числу разрядов. Одноразрядные сумматоры практически никогда не использовались, т.к. почти сразу же были выпущены микросхемы многоразрядных сумматоров (рис.10).
Рисунок 10 – УГО ИМС сумматора
3 ИНСТРУКЦИИ ПО ДЕМОНСТРАЦИИ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ СТЕНДА
3.1 Демонстрация работы логических элементов
1. Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
2. Для работы с любым элементом соединить вывод питания элемента с выводом «Uп +5В».
3. Произвести установку логической информации с гнезд “1” и ”0” на входы элементов согласно их таблиц истинности.
4. Перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ»
5. Убедиться в соответствии выходных сигналов выполняемым операциям по свечению светодиодов.
6. По окончании демонстрации переключатель «Сеть» перевести в положение «ВЫКЛ», отключить стенд от сети.
Важно! Особенность микросхем серии К155 – отсутствие сигнала на входах ИМС аналогично подаче них напряжения, соответствующего уровню лог.1.
3.2 Демонстрация работы генератора прямоугольных импульсов
Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
Соединить вывод питания схемы с выводом « Uп +5В».
Перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ».
Наблюдать работу генератора в целом и каждого элемента в отдельности по свечению светодиодов.
Изменить сопротивление переменного резистора R1 и пронаблюдать по свечению светодиодов за изменением частоты вырабатываемых импульсов.
По окончании демонстрации переключатель «Сеть» перевести в положение «ВЫКЛ», отключить стенд от сети.
3.3 Демонстрация работы мультиплексора
Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
Соединить вывод питания микросхемы с выводом « Uп +5В».
Установить на входе стробирования S сигнал лог.1, перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ» и убедиться, что работа мультиплексора блокирована. Т.е. на выходе постоянно присутствует сигнал низкого уровня вне зависимости от изменения входной информации.
Перевести переключатель «Сеть» в положение «ВЫКЛ»
Установить на входе стробирования S сигнал лог. 0. Произвести установку логической информации на входы схемы согласно таблице истинности, перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ» и наблюдать работу устройства по свечению светодиода.
По окончании демонстрации переключатель «Сеть» перевести в положение «ВЫКЛ», отключить стенд от сети.
3.4 Демонстрация работы дешифратора
Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
Соединить вывод питания микросхемы с выводом « Uп +5В».
Произвести установку логической информации на адресные входы дешифратора согласно таблицы истинности. Установить на входе стробирования S сигнал лог.1.
Перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ».и убедиться, что работа дешифратора блокирована: изменение информации на адресных входах не приводит к срабатыванию устройства.
Перевести переключатель «Сеть» в положение «ВЫКЛ».
Установить на входе стробирования S сигнал лог. 0., перевести переключатель «Сеть» в положение «ВКЛ» и наблюдать работу устройства по свечению светодиодов.
По окончании демонстрации переключатель «Сеть» перевести в положение «ВЫКЛ», отключить стенд от сети.
3.5 Демонстрация работы сумматора
1. Включить стенд в сеть. Переключатель «Сеть» должен находиться в положении «ВЫКЛ».
2. Произвести установку логической информации на входы cумматора согласно выбранному заданию по сложению двух 4-разрядных двоичных чисел. На выводы А устанавливается первое слагаемое, на выводы В – второе (на выводы А1, В1 подключаются младшие разряды чисел, на выводы А4, В4 – старшие). Подача входных уровней сигналов производится со статического логического устройства СЛУ с помощью тумблеров.
Соединить вывод питания микросхемы с выводом « Uп +5В».
Переключатель «Сеть» перевести в положение «ВКЛ».
Зафиксировать результат сложения на выходах сумматора по свечению светодиодов.
По окончании демонстрации переключатель «Сеть» перевести в положение «ВЫКЛ», отключить стенд от сети.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Метод с применением демонстрационного стенда апробирован на лекционных занятиях по дисциплинам «Вычислительная техника», «Электроника и схемотехника» в ГПОУ «Донецкий техникум промышленной автоматики». Внедрение его показало, что значительно улучшилось восприятие студентами понятий о принципе действия цифровых устройств. Особенно хорошие результаты были получены тогда, когда студент сам под руководством преподавателя выполнял соединения по заданному алгоритму для демонстрации работы устройств. Использование стенда позволяет наглядно в динамике увидеть работу цифровых схем, что приводит к сближению теоретических знаний и практических умений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы.- М.: Горячая линия – Телеком, 2003.
2. Бобровников Л.З. Электроника. - С.-Пб.: Питер, 2004.
3. Шило В.Л. Справочник. Популярные микросхемы.- М.: Радио и связь, 1987.
4. Якубовский С.В. Справочник. Цифровые и аналоговые ИМС.- М.: Радио и связь ,1990.
5. Партин А.С., Борисов В.Г. Введение в цифровую технику. – М.: Радио и связь, 1987.
13PAGE 15
13 PAGE \* MERGEFORMAT 141715
1
Root Entry