Цифровая схемотехника (практикум). Учебное пособие предназначено для выполнения практикума по дис циплинам "Схемотехника электронных средств, "Схемотехника эвм, "Основы микроэлектроники для
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВЫХ, АНАЛОГО – ЦИФРОВЫХ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ Рекомендовано Ученым советом Государственного образовательного учре- ждения высшего профессионального образования «Оренбургский государ- ственный университет» в качестве учебного пособия для выполнения прак- тикума по дисциплинам "Схемотехника электронных средств", "Схемотех- ника ЭВМ", "Основы микроэлектроники" для студентов, обучающихся по программам высшего профессионального образования очных форм обуче- ния специальностей "Проектирование и технология радиоэлектронных средств", "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети", "Инфор- матика" Оренбург 2005 Е.А. КОРНЕВ 2 ББК 32.97.я7 К-67 УДК681.326.32 (07) Рецензент доктор технических наук, профессор Соловьев Н.А. Корнев Е.А. К-67 Схемотехника цифровых, аналого - цифровых и цифро - аналого- вых устройств: Учебное пособие. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005. - 106 с. ISBN В пособии рассмотрены схемотехнические решения цифровых,анало- го – цифровых и цифро-аналоговых устройств. Учебное пособие предназначено для выполнения практикума по дис- циплинам "Схемотехника электронных средств», "Схемотехника ЭВМ», "Основы микроэлектроники» для студентов очной формы обучения соот- ветственно специальностей 210201 «Проектирование и технология радио- электронных средств», 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», 030100 «Информатика». К 2202090100 ББК 32.97.я7 © Корнев Е. А., 2005 © ГОУ ОГУ, 2005 ISBN 3 Введение В настоящее время в радиоэлектронных системах, в средствах вычисли- тельной техники, системах управления и информационно-измерительной тех- нике используется широкий спектр больших (БИС) и сверхбольших инте- гральных микросхем (СБИС), которые получили в последнее десятилетие про- грессирующее развитие. К БИС и СБИС можно отнести: микропроцессорные комплекты и микро- контроллеры, программируемые логические матрицы и базовые матричные кристаллы, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, а также за- поминающие устройства. Эти сложные в структурном построении и функцио- нальном понимании интегральные компоненты нашли широкое применение в указанных системах и являются основой их построения. Однако изучение цифровой электроники представляется сложным начи- нать с системотехники и микросхемотехники интегральных устройств, а тем более осваивать проектирование систем на их основе. Поэтому необходимо, прежде всего, изучить внутреннее устройство и алгоритмы работы менее слож- ных функциональных узлов цифровой электроники. Настоящее учебное пособие предназначено для обучения студентов прак- тическим основам схемотехники относительно простых цифровых, цифро- аналоговых и аналого-цифровых электронных средств и включает следующие разделы: "Логические элементы", "Комбинационные схемы", "Триггерные и пересчетные устройства", "Управляющие устройства", "Цепи ввода данных", "Шины передачи данных", "Запоминающие устройства", "АЦП и ЦАП". Практикум позволяет студентам: - изучить схемотехнику, алгоритмы функционирования и приобрести навыки тестирования следующих цифровых элементов и узлов: базовых логических элементов; комбинационных логических схем; триггеров, счетчиков и регист- ров; нескольких интерфейсных узлов ввода и межсистемной передачи данных; - освоить основы построения управляющих устройств, провести сравнительное исследование их преимуществ и недостатков; приобрести практический опыт в отладке и анализe функционирования управляющих конечных автоматов двух видов; - овладеть основами схемотехники запоминающих устройств и практическими методами записи, считывания, редактирования и программирования ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации с помощью программатора, рабо- тающего на связи с персональным компьютером; - изучить параметры детерминированных и случайных аналоговых сигналов и в динамическом режиме наблюдать процесс аналого-цифрового преобразования; производить ручной и автоматизированный (с применением персональной ЭВМ) набор и обработку статистических распределений параметров сигналов; - изучить схемотехнику и измерить передаточные характеристики и основные параметры цифро-аналоговых преобразователей. 4 1 Практикум "Логические элементы" Цель работы: Практикум предназначен для: - практического изучения принципов построения и функционирования базовых логических элементов различных типов, выполняемых по RTL, DTL, TTL и CMOS технологиям; - приобретения навыков в тестировании и анализе основных характери- стик логических микросхем малой и средней степени интеграции; - сравнительного анализа их преимуществ и недостатков. 1.1 Резисторно-транзисторные логические элементы Резисторно-транзисторные элементы (RTL- элементы) появились одни- ми из первых в микроэлектронике. Это были 60-е годы. Относительная просто- та их реализации на технологическом уровне тех лет позволяла выполнять ин- тегральные схемы (ИС) малой степени интеграции. На рисунке 1.1 показана электрическая схема RTL-элемента, выполняющего логическую функцию 3ИЛИ-НЕ. Рисунок 1.1 - Электрическая схема RTL - элемента 3ИЛИ-НЕ Схема работает следующим образом. При отсутствии входного сигнала транзистор находится в закрытом состоянии, благодаря наличию смещающей цепи резистора R4. На выходе элемента при этом установлен высокий потенци- ал, соответствующий лог. 1. Если на любой из входов элемента подать лог. 1, то потенциал на базе транзистора повысится и транзистор откроется. На выходе логического элемента появится низкий потенциал - лог.0. Недостатки RTL-элементов: - низкая технологичность из-за необходимости применения различной технологии резистивных и активных элементов; - высокая потребляемая мощность; - низкое быстродействие; - малые коэффициенты разветвления и объединения; - низкая нагрузочная способность. 5 1.2 Диодно-транзисторные логические элементы Представленный на рисунке 1.2 диодно-транзисторный базовый логиче- ский элемент (DTL-элемент) реализует логическую функцию И-НЕ. Функция И выполняется на диодной группе, а транзистор, как усилитель-инвертор, произ- водит операцию НЕ. Рисунок 1.2 - Электрическая схема DTL - элемента И-НЕ Схема работает следующим образом. В исходном состоянии, когда на три входа поданы логические "1" (высокий уровень), с помощью смещающей цепи R1 транзистор Т1 устанавливается в открытое состояние и на выходе бу- дет низкий потенциал лог.0. Если на любой из входов схемы подать низкий по- тенциал, то точка (А) окажется зашунтирована, базовый ток транзистора при этом уменьшится до полного закрывания транзистора и на выходе схемы поя- вится лог.1. Таким образом, схема выполняет логическую операцию И-НЕ. Основными недостатками элементов DTL-типа являются: - низкая технологичность из-за разнородности применяемых полупро- водниковых элементов; - относительно низкое быстродействие из-за насыщенного режима рабо- ты транзистора, высоких постоянных времени входных цепей и высокого вы- ходного сопротивления. 1.3 Транзисторно-транзисторные логические элементы В настоящее время в интегральной схемотехнике транзисторно- транзисторные логические элементы (TTL- типа) и особенно с диодами Шоттки (TTLШ - типа) являются достаточно распространенными по сравнению с дру- гими типами логических элементов. Они представляют собой технологически улучшенный вариант элементов DTL-типа. В TTL-элементах вместо диодов ис- пользуются многоэмиттерные транзисторы. Схемы простейших TTL-элементов представлены на рисунках 1.3, 1.4. На логическом элементе, приведенном на рисунке 1.3, выполняется функция 3И-НЕ. Элемент работает аналогично DTL-элементу, только вместо диодов применяется многоэмитерный транзистор. 6 Рисунок 1.3 - Электрическая схема TTL-элемента ЗИ-НЕ TTL-элементы можно усложнять и улучшать, используя дополнительные усилители. На рисунке 1.4 показан базовый TTL-элемент с фазоинвертором, использующийся в ИС низкой и средней степени интеграции. Рисунок 1.4 - Электрическая схема TTL-элемента ЗИ-НЕ с повторителем На базе элемента И-НЕ может быть построен более сложный элемент, выполняющий логическую функцию 3И-2ИЛИ-НЕ (рисунок 1.5). В настоящее время TTL-элементы применяются практически только в "силовых" логических схемах, во входных и в выходных цепях БИС, благодаря сочетанию таких качеств как высокая нагрузочная способность и быстродейст- вие при относительно невысоком потреблении. Широкое распространение получили микросхемы серии ТТL с диодами Шоттки, которые обладают более высоким быстродействием и низким потреб- лением в сравнении с обычными ТТL-схемами. Рисунок 1.5 - Электрическая схема TTL - элемента типа 3И-ИЛИ – НЕ 7 1.4 Комплементарные логические элементы на основе транзисторов "металл-окись-полупроводник" Комплементарные логические элементы на основе транзисторов "ме- талл-окись-полупроводник" (КМОП - типа) с индуцированными каналами раз- ного типа проводимости обладают самыми лучшими показателями по потреб- ляемой мощности. Схема КМОП - элемента типа И-НЕ показана на рисунке 1.6. Элемент содержит только МОП транзисторы двух типов: с индуцированным n- каналом (Т3, Т4) и с индуцированным p-каналом (Т1, Т2). Рассмотрим принцип действия КМОП - элемента. Пусть, например, в исходном состоянии на обоих входах присутствует лог. 0. В этом случае верх- ние тразисторы Т1 и Т2 будут открыты, а нижние транзисторы Т3, Т4 будут за- крыты. На выходе будет установлена лог. 1, но ток в микросхеме протекать не будет из-за закрытых транзисторов Т3, Т4. Если на входе Х1 присутствует лог.0, а на входе X2 - лог.1, то транзисторы Т1, Т4 будут открыты, а транзисто- ры Т2, Т3 - закрыты. На выходе при этом установится также значение лог.1. Смена входных сигналов приводит к смене состояний Т1, Т4 и Т2, Т3, и на вы- ходе опять установится лог.1, но ток в схеме после переключения также равен нулю. Подача на оба входа лог.1 приводит к открытому состоянию Т3, Т4 и к закрытому состоянию Т1, Т2, при этом на выходе устанавливается лог.0, но и в этом состоянии ток в схеме также не проходит. Следовательно, в КМОП-элементах энергия тратится только лишь во время переключений на перезаряд паразитных емкостей и емкостей нагрузки схемы. КМОП - элементы являются высокотехнологичными, так как не содер- жат в своих схемах разнородных элементов, таких как резисторы, диоды, бипо- лярные транзисторы. К недостаткам КМОП - элементов можно отнести пара- зитное влияние p-n-p и n-p-n - переходов, которые возникают как побочные пе- реходы в КМОП структурах, размещаемых на одной полупроводниковой под- ложке. Эти паразитные биполярные структуры иногда отрицательно сказыва- ются на поведении КМОП - элементов, вызывая так называемый тиристорный эффект, искажающий передаточную характеристику элемента. Рисунок 1.6 - Электрическая схема логического элемента КМОП-типа 2И-НЕ на транзисторах с индуцированными каналами n (T3, T4)- и p (T1, T2)- типа 8 1.5 Контрольные вопросы 1 Поясните принцип действия и приведите выходные статические характери- стики n-p-n биполярного транзистора. 2 Приведите основные схемы включения транзистора. 3 Чем отличаются выходные ВАХ транзистора, включенного по схеме ОЭ и ОБ? 4 Приведите сравнительный анализ схем включения биполярного транзистора. 5 Какая структура и особенности работы МОП-транзистора? 6 Приведите условно-графические обозначения всех типов МОП- транзисторов и их проходные ВАХ. 7 Какое основное отличие МОП-транзистора с индуцированным каналом от МОП-транзистора со встроенным каналом? 8 Приведите сравнительный анализ частотных и временных параметров поле- вых транзисторов с p-n переходом и МОП-типа. 9 Биполярный транзистор с диодом Шоттки. Объясните его преимущества в ключевых каскадах. 10 Дайте классификацию логических элементов 11 Поясните принципы работы DTL-элемента. 12 Опишите таблицу истинности для элемента " исключающее ИЛИ " 13 Назовите недостатки DTL-элемента? 14 Поясните принцип работы TTL-элементов. 15 Опишите таблицу истинности для элемента 3ИЛИ-НЕ. 16 Какие недостатки характерны для TTL-элементов? 17 В чем принципиальное отличие элементов ТТL и ТТL-Шотки? 18 Поясните принцип работы КМОП-элементов. 19 От чего зависит потребляемая мощность КМОП-элемента? 20 Какие недостатки КМОП-элементов Вы знаете? 21 Какие технологические особенности присущи логическим элементам разно- го типа? 22 Какие устройства и органы управления содержит лабораторный стенд? 1.6 Краткое описание учебного лабораторного стенда "Цифровая электроника" Лицевая панель стенда разбита на 11 функциональных полей. Три поля "ИС" содержат сокеты для микросхем с разным количеством выводов (16,18 и 24). Вокруг каждой сокеты расположены контакты, подключенные к соответст- вующим контактам сокет. В верхней части панели расположено поле "ИНДИКАТОРЫ", содержа- щее 16 индикаторных светодиодов, подключенных к контактам. В нижней части панели расположены три поля "Счетчик" (А, В и С) с ин- дикаторами состояний, контактами и управляющими кнопками. С помощью счетчиков можно задавать четырехразрядные логические комбинации на вхо- дах изучаемых интегральных схем в ручном или автоматическом режиме. 9 Счетчики производят счет в ручном режиме от кнопки "Счет" или от встроен- ного генератора прямоугольных импульсов при установке перемычки (область "Генераторы"). С помощью кнопки "Сброс" можно обнулять счетчик. Область "Генераторы" содержит управляющие элементы и контакты, с которых можно подавать на изучаемую схему регулируемое постоянное напря- жение (0-5 В), одиночные прямоугольные импульсы, либо последовательность прямоугольных или пилообразных импульсов. Кроме того, на лицевой панели стенда расположены контакты общей ши- ны стенда (область "Общ."), напряжения питания (область +5 В, +12 В, -12 В) и выключатель питания стенда с индикатором (область "Сеть"). 1.7 Порядок выполнения практикума В счет часов самостоятельной работы выполните следующее: - получите от преподавателя вариант тестируемых микросхем (табли- ца 1) на занятии, предшествующему данному практикуму; Таблица 1.1 – Типы тестируемых логических ИС Вариант Типы тестируемых микросхем 1 К155ЛН1, К155ЛИ1, К155ЛА1, К155ЛП5 2 К155ЛН1, К155ЛА4, К155ЛЕ1, К155ЛП12 3 К155ЛН5, К561ЛА3, К155ЛЕ1, К155ЛП5 - изучите основы построения и принципы действия логических элемен- тов типа НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ и исключающее ИЛИ-НЕ по основной и дополнительной литературе, приведенной в настоящем пособии; -проработайте методические указания к настоящему практикуму; -нарисуйте схемы включения всех предложенных к проверке микро- схем, используя общепринятые, приведенные в справочниках для выполнения электрических схем обозначения логических элементов, источников питания, светодиодов, общих шин, клемм и проводников, переключателей (тумблеров) логических уровней. При этом входные логические сигналы на микросхему не- обходимо подавать от встроенного в стенд счетчика. Пример выполнения схе- мы включения показан на рисунке 1.7. Условно-графические обозначения ло- гических элементов приведены в п.1.12 настоящего раздела. 10 Рисунок 1.7 - Пример выполнения схемы включения микросхемы - составьте таблицы истинности для тестируемых логических элемен- тов; ВНИМАНИЕ! При выполнении практикума в лабораторном классе: Соблюдайте правила техники безопасности при работе со стендом и приборами как с электрическими установками! Сетевое питание на стенд и питание на тестируемые схемы подавайте только после полного монтажа схемы и проверки монтажа преподавателем! - заполните таблицу истинности для различных логических элементов (таблица 1.2); Таблица 1.2 –Таблица истинности логических элементов Значение выходной логической функции Y Комбина- ции вход- ных пере- менных И ИЛИ И-НЕ ИЛИ-НЕ Исклю- чающее ИЛИ Исклю- чающее ИЛИ- НЕ 1 X 2 X 2 1 X X 2 1 X X + 2 1 X X 2 1 X X + 2 1 X X ⊕ 2 1 X X ⊕ 0 0 0 1 1 0 1 1 - представьте преподавателю все таблицы истинности и схемы включе- ния, ответьте на контрольные вопросы и получите у преподавателя разрешение на проведение практикума; - повторите методические указания к настоящему практикуму и озна- комтесь с органами управления и индикации на лицевой панели стенда и лице- вой панели осциллографа; 11 - вставьте в сокету стенда одну из испытуемых логических микросхем типа НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ заданного преподавателем варианта в соответствии с таблицей 1; - проверьте перемычки (электрические проводники с контактами) на от- сутствие обрывов и внимательно соберите с помощью перемычек схему вклю- чения микросхемы согласно схем, составленных при подготовке к работе; - проверьте самостоятельно монтаж схемы и представьте его для про- верки преподавателю или лаборанту; - получите экспериментально таблицы истинности, задавая на входы микросхемы поочередно все комбинации входных логических воздействий с выходов счетчиков в ручном режиме и наблюдая отклики на выходе схемы с помощью светодиодов. Сравните экспериментальные таблицы истинности с таблицами, составленными до проведения опыта; - измерьте мощность, потребляемую микросхемой; - определите статическую передаточную характеристику (СПХ) микро- схемы в соответствии с п. 1.8 настоящего пособия; - определите постоянные времени Т 10 и Т 01 и параметры входных и вы- ходных сигналов по методике п.1.9; - определите задержку распространения сигнала по методике п.1.9; - демонтируйте схему, аккуратно сложите все проводники и компонен- ты и вместе со стендом передайте лаборанту; - подготовьте отчет по практикуму и представьте его для защиты и по- лучения зачета. |