микропроцессоры. Преподаватель
 Скачать 385.74 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ» КАФЕДРА № 22 ОТЧЕТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ
РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ
Санкт-Петербург 2021 Цель работы: исследовать возможности применения и строение элементарных логических функций и логических элементов на примере элемента 3И. [1] Задачи для исследования: -Выбрать необходимые элементы и определить, где их можно применить. -Определить условия функционирования элементов. -Определим рабочую среду для исследования логического элемента (математический пакет). -Составим математическую модель и проведем анализ работы выбранного элемента. -Приведем результаты исследования. -Составить выводы по получившимся результатам. ВВЕДЕНИЕ Любой логический элемент начинается с алгебры логики. Алгебра логики - раздел математической логики, в котором изучаются логические операции над высказываниями (предложение, выражающее суждение, если суждение, составляющее содержание (смысл) некоторого высказывания, истинно, то и о данном высказывании говорят, что оно истинно). Чаще всего предполагается, что высказывания могут быть только истинными или ложными, то есть используется так называемая бинарная или двоичная логика, в отличие от, например, троичной логики. Логический элемент - один из самых многофункциональных разновидностей цифровых микросхем. Помимо своих прямых обязанностей (логические операции с двоичными числами), логические элементы способны выполнять множество других функций, которые не имеют более сложные микросхемы: генерировать, задерживать и распределять импульсы, согласовывать уровни, управлять источниками сигнала или нагрузками. Благодаря такой универсальности область применения логических элементов очень широка, практически ни одна более-менее сложная схема не обходится без подобных микросхем. Схем на основе логических элементов известно довольно много. В настоящее время наиболее широко распространены две технологии построения логических элементов: ТТЛ и КМОП. ТТЛ - Транзисторно-Транзисторная Логика; КМОП – Комплементарная структура Металл-Оксид-Полупроводник. У ТТЛ уровень нуля равен 0,4 вольт, уровень единицы – 2,4 вольт. У логики КМОП, уровень нуля очень близок к нулю вольт, уровень единицы – примерно равен напряжению питания. Кроме различий в уровнях сигнала, типы логики различаются также по энергопотреблению, по скорости (предельной частоте), нагрузочной способности, и т.д. [2] 1 Выполнение работы Элемент 3И, в исследовании представлен микросхемой 74LS11D. Применение Логический элемент 3И выполняет операцию логического умножения (конъюнкция) над своими входными данными. Микросхема 74LS11D применяется в различных бытовых и промышленных приборах. Например, в гирляндах, там элемент 3И участвует в работе мультиплексора. Гирлянда работает по циклам, мультиплексор выбирает, по какому циклу будет работать гирлянда в зависимости от управляющего сигнала. 1.2 Условия функционированиялогического элемента 3И Две первые цифры в названии микросхем определяют применение и условия эксплуатации. В нашем случае 74 – микросхемы широкого применения. [3] Диапазон Рабочей Температуры: 0°C - 70°C Диапазон Напряжений Питания: 4.75В-5.25В [4] 1.3 Определение рабочей среды для исследования логического элемента (математический пакет) Для моделирования процесса работы микросхемы выбираем математический пакет Electronics Workbench MultiSim, поскольку данный математический пакет обладает всеми функциями необходимыми для исследования данного элемента. 2 Исследование логического элемента 3И. 2.1 Построение схемы исследования Для построения схемы из каталога математического пакета Electronics Workbench MultiSim был выбран элемент 74LS11D. Схема исследования приведена на рисунке 1.  74LS11D VCC GND Probe  PROBE Probe Switch SPDT Probe Switch SPDT Switch SPDT Рисунок 1 – Схема исследования элемента 3И 2.2Таблица истинности. В разделе приведена таблица истинности. Она показывает состояние выходных данных в зависимости от входных для логического элемента. Таблица истинности подтверждает работу схемы. Таблица 1 – Таблица истинности для элемента 3И
2.3 Результаты Составлена схема для исследования логического элемента 3И. Составлена таблица истинности для проверки работы логического элемента 3И. В результате исследований видна работоспособность выбранного элемента 3И, представленного микросхемой 74LS11D в составе выбранного устройства. 3 Исследование влияния нагрузки на быстродействие элементов ТТЛ и КМОП 3.1 Построение схемы исследования Время задержки исследуется для 2-х типов микросхем: для КМОП – микросхемы и для ТТЛ - микросхемы в двух режимах – без нагрузки и нагрузкой. Выбраны логические элементы в математическом пакете Electronics Workbench MultiSim. На рисунке 2 и 3 приведены схемы измерения быстродействия без нагрузки и с нагрузкой соответственно.  VCC GND GND 74HC11D Oscilloscope Clock voltage 1MHz/50% Resistor Рисунок 2. Схема измерения быстродействия без нагрузки  74LS11D 74LS08D VCC VCC GND GND Clock voltage 10MHz/50% Resistor Resistor Oscilloscope Рисунок 3. Схема измерения быстродействия с нагрузкой Результаты исследования Различие технологий КМОП и ТТЛ заключается в том, что в технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с ТТЛ является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения логических состояний). КМОП – транзисторы полевые, другими словами, наличия электрического поля на затворе достаточно, чтобы повлиять на полупроводниковый канал в плане проводимости. Теоретически ток не потребляется, за исключением небольшого тока утечки затвора, который часто бывает порядка пико- или наноампер. Однако это не означает, что такое же низкое потребление тока справедливо даже для более высоких скоростей. Вход КМОП - микросхемы имеет некоторую емкость и, следовательно, конечное время нарастания. Чтобы гарантировать быстрое нарастание на высокой частоте, необходим большой ток, который может быть порядка нескольких ампер на частотах МГц или ГГц. Этот ток потребляется только тогда, когда вход должен изменить состояние, в отличие от TTL, где ток смещения должен присутствовать с сигналом. Что касается выходов, то у КМОП и ТТЛ есть свои преимущества и недостатки. Выходы ТТЛ являются либо двухтактными, либо подтягивающими. С двухтактной структурой выход может быть только в пределах 0,5 В. Однако выходные токи намного выше, чем у их аналогов КМОП. Между тем, выходы КМОП, которые можно сравнить с резисторами, управляемыми напряжением, могут выдавать в милливольтах от шин питания в зависимости от нагрузки. Однако выходные токи ограничены, зачастую их едва хватает для питания пары светодиодов. Благодаря меньшим требованиям к току, логика КМОП очень хорошо поддается миниатюризации, поскольку миллионы транзисторов могут быть размещены на небольшой площади, при этом требования к току не будут непрактично высокими. [5] В результате исследования была составлена таблица 2. Таблица 2. Результаты измерения быстродействия ЛЭ
Значения tзд.р.ср. и tзд.р.ср. нагр были рассчитаны по формуле (1)  (1)где  - среднее время задержки распространения сигнала,  ,  - времена задержки распространения сигнала при переходе напряжения на выходе от низкого логического уровня к высокому.Составленная таблица экспериментально подтверждает, что у ТТЛ микросхем время задержки при работе с нагрузкой и без нагрузки меньше, чем у КМОП микросхем. Следовательно, ТТЛ работают быстрее, чем КМОП микросхемы ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате исследования логического элемента 3И были выполнены поставленные задачи, также была экспериментально составлена таблица истинности для ЛЭ 3И, которая полностью соответствует теоретической. Экспериментально было установлено, что среднее время задержки распространения сигнала при нагрузке для ТТЛ меньше, чем без нагрузки, а среднее время задержки распространения сигнала при нагрузке для КМОП больше, чем без нагрузки. Экспериментально подтверждено, что у ТТЛ микросхем время задержки при работе с нагрузкой и без нагрузки меньше, чем у КМОП микросхем. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1 Бакшеева, Ю. В. Методические указания к выполнению лабораторных работ / Ю. В. Бакшеева, К. К. Томчук. – СПб.: изд-во ГУАП, 2019. – 47 с. 2 Дорохин, М. В. Микросхемы КМОП и ТТЛ / М. В. Дорохин – Нижний Новгород: изд-во Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 2013 – 22 с. 3 Техническая спецификация микросхемы 74LS11D, URL: https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/125572/ETC1/74LS11DC.html (дата обращения 27.09.2021) 4 Пинаев, В. В. Серии микросхем средней степени интеграции, URL: http://vmss.mpei.ru:15980/main/files/PinaevV/lecture2a.pdf (дата обращения 04.10.2021) 5 Сравнение логики ТТЛ и КМОП: различия, особенности, преимущества и недостатки, URL: http://digitrode.ru/articles/3052-sravnenie-logiki-ttl-i-kmop-razlichiya-osobennosti-preimuschestva-i-nedostatki.html (дата обращения 04.10.2021) |