фааыаф. Лабораторные работы. Лабораторная работа 1 Знакомство с системой схемотехнического моделирования MicroCap 9
 Скачать 1.79 Mb.
|
III. Порядок выполнения работыВ цифровых микросхемах логические операции осуществляются с помощью логических элементов. Устройства, предназначенные для формирования алгебры логики, называются цифровыми устройствами. Функции алгебры логики и их аргументы могут принимать значения логических 0 и 1. Рассмотрим некоторые элементарные логические функции. Логическая функция НЕ (логическое отрицание, инверсия) одного аргумента преобразует сигнал логической 1 на своем входе в логический 0 на выходе. Логический 0 на входе преобразуется в логическую 1 на выходе. Логическая функция И (конъюнкция) двух аргументов осуществляет логическое умножение сигналов. Конъюнкция входных сигналов равно 1 в том случае, если оба входных сигнала равны 1. Если хотя бы на одном входе будет логический 0 то на выходе элемента тоже будет 0. Логическая функция ИЛИ (дизъюнкция) двух аргументов осуществляет логическое сложение сигналов. Дизъюнкция входных сигналов равно логической 1, если или первый сигнал или второй сигнал равен 1. Сигнал 0 на выходе появляется тогда, когда на двух входах одновременно логический 0. Логическая функция И-НЕ (штрих Шеффера) двух аргументов осуществляет операцию логического отрицания конъюнкции. Если на всех входах штриха Шеффера присутствует логическая 1, то на выходе будет 0. Иначе на выходе будет 1. Логическая функция ИЛИ-НЕ (стрела Пирса, функция Вебба) двух аргументов осуществляет операцию отрицания дизъюнкции. Если на всех входах стрелы Пирса имеется логический 0, то на выходе будет 1. Любая другая комбинация входных сигналов приведет к логическому 0 на выходе. Будем использовать положительную логику, т.е. считать, что логическая 1 физически соответствует высокому уровню напряжения (близкому к +5В). Логический 0 соответствует низкому напряжения (близкому к 0В). Е  сли последовательно соединить два ключа рис. 6 , то они будут работать по логике И. ток в цепи появиться, если замкнуты оба ключа и S1 и S2.Назовем замыкание ключа событием логической 1, а размыкание ключа событием логического 0. Будем считать, что на выходе элемента логическая 1 соответствует напряжению +5В. а логический 0 – 0В. Последовательно перебирая состояния этих ключей, можно составить таблицу входных и выходных данных для такого элемента. покажем с помощью программы Micro-Cap, что эта таблица будет таблицей истинности элемента И. Если параллельно соединить два ключа (рис. 7), то они будут работать по логике ИЛИ. Ток в цепи появится, если замкнут ключ S1 или ключ S2. Назовем замыкание ключа событием логической 1, а размыкание ключа событием логического 0.  С помощью программы Micro-Cap покажем что таблица истинностей соответствует предварительному расчету. Н  а рис. 8 показана одна из возможных реализаций одновходового элемента НЕ. Наибольшее распространение получил транзисторный элемент, собранный по схеме с общим эмиттером (рис. 8) Резистор R1 ограничивающий ток базы последовательно соединен с n-p-n транзистором VT. Резистор R2 – коллекторная нагрузка.Uвх Когда на базе транзистора нет напряжения, то транзистор закрыт, выходное напряжение имеет высокий уровень (+5В). Если через резистор R1 на базу транзистора подать напряжение высокого уровня, то потечет ток, который откроет транзистор, т.е. переведет транзистор в состояние насыщения. В этом случае выходное напряжение станет низким. Можно считать, что все выводы транзистора: база, эмиттер, коллектор замкнуты между собой, т.е. транзистор превращается в точку. Б  удем считать, что переключение транзистора происходит мгновенно. Следовательно, выходное напряжение может принимать только два дискретных значения высокое (логическая 1) и низкое (логический 0). Транзистор работает в ключевом режиме. Он только открыт или только закрыт и удерживается в одном из этих состояний, пока на входе сохраняется соответствующий уровень сигнала.Последовательно подавая на вход низкий (0) или высокий (1) уровень напряжения, можно составить таблицу входных и выходных данных для этого элемента. Проверим расчетные данные при помощи программы Micro-Cap. В вход место биполярного транзистора можно использовать комплиментарную пару полевых транзисторов (КМОП –комплиментарный-метал-окисел-полупроводник) с противоположными типами электропроводимости. Затворы этих транзисторов электрически соединены и образуют вход логического элемента рис. 10. Транзистор VT1 имеет p-канал, а транзистор VT2 – n-канал. Если на входе устанавливается низкий уровень напряжения (логический 0), то транзистор VT1 открыт, а транзистор VT2 закрыт. В этом случае уровень выходного напряжения будет близок к напряжению шины питания +5В (логическая 1). Когда на входе устанавливается высокий уровень напряжения (логическая 1) то транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт. В этом случае уровень выходного напряжения будет близок к нулевому потенциалу обей шины (логический 0). Заметим, что поскольку один из транзисторов обязательно закрыт при любом сигнале на входе, то ток через эти транзисторы не проходит. Поэтому потребление энергии от источника питания происходит только в моменты переключения транзисторов. Последовательно подавая на вход комплиментарной пары низкий или высокий уровень напряжения, можно составить таблицу входных и выходных данных для такого элемента. Покажем с помощью программы Micro-Cap, что эта таблица будет таблицей истинности элемента НЕ. В качестве элемента И-НЕ используем цифровую схему. Элементы таких микросхем имеют два, три или четыре входа и выполняют над входными данными операцию И с последующим изменением результата на противоположный. На рис. 11 показан пример микросхемы, изготовленной на основе КМОП-структур (К561ЛА7). В одном корпусе размещаются четыре логических элемента И-НЕ. Элементы работают независимо друг от друга, хотя имеют общие шины, к которым подключают источник питания. Каждый логический элемент имеет два входа и один выход.  рис. 11 +5В Назначение выводов данной микросхемы: 1, 2,4,5,8,9,12,13 –соответственно входы логических элементов. 3,6,10,11 – выходы логических элементов. К выводу 14 подключают питание микросхемы. Вывод 7 является общим. Последовательно подавая на входы одного логического элемента этой микросхемы низкий или высокий уровень напряжения, можно сопоставить таблицу истинности элемента И-НЕ. Проделаем это с помощью программы Micro-Cap. В качестве элемента ИЛИ-НЕ используем цифровую микросхему К561ЛЕ5 (рис. 12). Элементы этой микросхемы имеют два входа и один выход. Над входными данными выполняется операция ИЛИ с последующим изменением результата на противоположный.  рис. 12 Выберем первый логический элемент (входы – 1,2 и выход – 3). Последовательно подавая на входы этого логического элемента низкий или высокий уровень напряжения найдем таблицу истинности для элемента ИЛИ-НЕ |