Время: 2 часа. Прежде чем непосредственно приступить к лабораторному занятию, студент должен по методическим указаниям ознакомиться с устройством проверяемых элементов или

ВВЕДЕНИЕ

Прежде чем непосредственно приступить к лабораторному занятию, студент должен по методическим указаниям ознакомиться с устройством проверяемых элементов или приборов, уяснить их назначение и теоретические основы их работы. Затем, после знакомства с испытательным стендом, получить у преподавателя задание, определяющее объем выполнения лабораторной работы После окончания работы каждый студент должен составить отчет, содержание которого указано в тексте методических указаний.

Студент, выполнивший все необходимые лабораторные работы, допускается к сдаче зачета, где, кроме практических навыков, он должен показать знания теории в пределах исследуемого вопроса.

Лабораторная работа 1

Проектирование цифровых схем на логических элементах

Отыскивание законов физики –

это вроде детской игры в кубики,

из которых нужно собрать целую

картинку.

Р. Фейнман

.

Цель работы: получить навыки проектирования цифровых систем в среде Electronics Workbench, закрепить пройденный на лекциях теоретический материал практическими занятиями, рассмотреть и проанализировать принципы работы различных типов логических элементов

Средства: методика проведения лабораторной работы, теоретический материал, программа Electronics Workbench, персональный компьютер.

Время: 2 часа

В программе EWB базовые логические элементы (БЛЭ) выбираются из подменю, открывающегося при нажатии на пиктограмму Logic Gates (логические элементы) со значком & (так называемый ampersand). Этот символ был введен письменность секретарем знаменитого древнеримского оратора Цицерона Марком Туллием Тироном. Последний является изобретателем скорописи (стенографии); знаком & Тирон заменял латинское ‘ЕТ’, обозначающее И (по-английски And). Набор БЛЭ состоит из ряда компонентов, напоминающих детские кубики (смотри рисунок. 1 ). Верхний ряд содержит БЛЭ, а нижний микросхемы для их реализации.

Совет

Имейте в виду, что эти два ряда не связаны между собой ничем, кроме соответствия обозначений однотипных ЛЭ. поэтому частичное соответствие между УГО верхнего и нижнего ряда, начиная с третьего слева компонента, нарушается. При выборе БЛЭ надо пользоваться их УГО. а не надписями, предназначенными для выбора микросхем.

Рисунок - 1 Наборы БЛЭ в разных стандарте - DIN (EWB)

American Standart - североамериканский стандарт, точнее American National Standart Institute - Американский национальный институт стандартов). В нем связь с древними римлянами напрочь исчезает, и УГО БЛЭ И скорее напоминает ядерную боеголовку современной баллистической ракеты (да и обозначения остальных ЛЭ, кроме операционного усилителя, не менее замысловаты).

Перечислим БЛЭ (слева направо):

2-lnput AND Gate - двухвходовый ЛЭ И;

2-lnput OR Gate - двухвходовый ЛЭ ИЛИ;

NOT Gate - инвертор (ЛЭ НЕ);

2-lnput NOR Gate - двухвходовый ЛЭ ИЛИ-НЕ;

2-lnput NAND Gate - двухвходовый ЛЭ И-НЕ;

2-lnput XOR Gate - двухвходовый ЛЭ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,

2-lnput XNOR Gate - двухвходовый ЛЭ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ-НЕ;

Tristate Buffer- буфер с тремя состояниями выхода

Buffer-буфер;

Schmitte-Triggerred Inverter - инвертирующий триггер Шмитта

Рассмотрим свойства основных типовых БЛЭ. Из меню Logic Gates буксируем на рабочее поле 2-lnput AND Gate - двухвходовый ЛЭ И (смотри рисунок 2а).

а)	б)
Рисунок- 2 БЛЭ И (EWB)

Щелкаем ПКМ на его УГО и затем в открывшемся подменю ЛКМ по позиции Help. На экране возникнет окно предметной помощи: в данном случае надпись AND gate, сопровождаемая УГО этого элемента в стандарте ANSI, и соответствующая таблица истинности. Выделив курсором ТИ и выбрав в этом окне Правка>Копировать, закрываем эту американскую помощь и, открыв в основном окне Window и далее Description, вставляем туда (Past) ТИ. После сжатия этого окошка ‘вывешиваем’ его в удобном месте рабочего поля (смотри рисунок 2,а).

Совет Описанную выше процедуру удобно выполнять для ознакомления со всеми новыми компонентами схем.

Проведем эксперимент с ЛЭ И (по-другому: &, And). Войдя в группу Sources, выберем источник постоянного напряжения +5 V (+Vcc Voltage Sources) . Этот источник, как и многие другие схемные виртуальные логические компоненты, имеет один вывод (второй - ‘земля’ предполагается уже соединенным программным путем). Далее выбираем два переключателя, логический индикатор и собираем схему, показанную на рисунке 2,б.

Совет

Не забудьте переименовать управляющие клавиши переключателей, заменив Space на А и В соответственно (иначе они будут срабатывать одновременно и только при нажатии на Space).

Включив моделирование и нажимая на клавиши А и В, задаем на соответствующих входах ЛЭ все возможные комбинации логических состояний входных сигналов. Наблюдая за реакцией выходного индикатора и сверяясь с ТИ, убеждаемся, что ЛЭ & дает на выходе лог. 1 (Y=1 - индикатор горит) только в одном единственном случае: на входе А=1 И на входе В=1 (здесь И играет роль соединительного союза, раскрывающего логический смысл этого ЛЭ).

Следующий ЛЭ ИЛИ также выбирается в программе EWB из меню Logic Gates. Для этого на рабочее поле буксируется 2-lnput OR Gate - двухвходовый ЛЭ ИЛИ (смотри рисунок 3а)

а)	б)
Рисунок- 3 БЛЭ ИЛИ

Скопировав предыдущий файл и заменив в нем ЛЭ AND на OR, получаем схему, показанную на рисунке 3,6). Проведя испытание этой схемы, убеждаемся в соответствии ее работы ТИ для ЛЭ ИЛИ.

Далее выбираем инвертор. В программе EWB на рабочее поле буксируется пиктограмма NOT Gate - ЛЭ НЕ (смотри рисунок 4,а).

а)	б)
Рисунок-4 БЛЭ НE (EWB)

Этот ЛЭ имеет только один вход. Его схемное обозначение на выходе имеет характерный кружок - символ инверсии; на выходе 0 (кружок), когда на входе 1 (единица), изображенная внутри поля ЛЭ. Присоединим к выходу этого виртуального инвертора индикатор и включим моделирование. О, чудо - лампа горит!, хотя какие-либо сигналы отсутствуют. Все дело в том, что в данной программе отсутствие входных сигналов автоматически считается за сигнал лог. 0.

Для реальных микросхем это совсем не так (хотя и там возникают проблемы), поэтому соберем нормальную схему (смотри рисунок 4,б) и, проведя ее испытание, получим ТИ инвертора, показанную на рисунке 4,а. Из предыдущего случая надо извлечь тот урок, что случайные отсутствия соединений входов ЛЭ программа EWB будет считать как ни в чем не бывало и выдавать ошибочные результаты за достоверные. Поэтому надо быть внимательными при виртуальных экспериментах.