11847

Логические элементы цифровых вычислительных устройств

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа №1 Логические элементы Теоретическое введение Известно что математической основой цифровых вычислительных устройств является двоичная арифметика в которой используются всего два числа 0 и 1. Выбор двоичной системы счисления диктовался т...

Русский

2014-10-01

103.5 KB

21 чел.

Лабораторная работа №1

Логические элементы

Теоретическое введение

Известно, что математической основой цифровых вычислительных устройств является двоичная арифметика, в которой используются всего два числа — 0 и 1. Выбор двоичной системы счисления диктовался требованиями простоты технической реализации самых сложных задач с использованием всего одного базового элемента — ключа, который имеет два состояния: включен (замкнут) или выключен (разомкнут). Если первое состояние ключа принять за условную (логическую)  единицу, то второе будет отражать условный (логический) ноль или наоборот. Возможные комбинации показаны на рис. 9.1, 9.2 и 9.3.

На рис. 9.1 показаны ключи 1 и 0, управляемые клавишами 1 и 0 соответственно, и вспомогательные устройства в виде батареи 5 В с внутренним сопротивлением 100 Ом и лампа накаливания на 6 В с мощностью 30 мВт, которые позволяют судить о состоянии ключа: если он находится в положении 1, лама горит (рис. 9.1, а), или не горит, если он находится в положении 0 (рис.9.1,б).

                                  а)                                                                               б)

Рис. 9.1  Схемы электромеханических имитаторов логической единицы (а) и  нуля (б)

                                  а)                                                                                    б)

Рис. 9.2 Электромеханические имитаторы логической единицы (а) и нуля (6) в инверсном режиме

Возможно другое расположение ключей по отношению к вспомогательным устройствам, показанное на рис. 9.2. В этих схемах состояние индикаторов нуля или единицы противоположно показанному на рис. 9.1. При нажатии на клавишу 1 индикатор фиксирует состояние 0 (рис. 9.2, а) и наоборот (рис. 9.2, б). Следовательно, схемы на рис. 9.2 по выходному сигналу (состоянию индикаторных лампочек) обратны (инверсны) по отношению к схемам на        рис. 9.1. Поэтому такие ключи называют инверторами.

Поскольку в цифровых системах содержится огромное количество ключей (только в одном микропроцессоре их несколько миллионов) и они не могут сообщать друг другу о своем состоянии миганием лампочек, то для взаимного обмена информацией используются электрические сигналы напряжения. При этом ключи, кик правило, применяются в инверсном режиме в соответствии со схемами на рис. 9.3.

На рис. 9.3 сопротивление 490 Ом имитирует внутреннее сопротивление нагрузки ключа (аналог коллекторного сопротивления в транзисторном ключе), сопротивление 10 Ом — сопротивление замкнутого электронного ключа, сопротивление 500 Ом — сопротивление разомкнутого ключа с учетом внешней нагрузки. Как видно из рис. 9.3, наличие на выходе логического нуля (инверсия 1) индицируется напряжением 100 мВ (в практических конструкциях может быть и больше), а наличие логической единицы — напряжением 2,549 В (нормируется на уровне 2.4 В). Электронные ключи проектируются таким образом, чтобы при наихудших сочетаниях входных и выходных параметров ключи могли различать сигналы логической единицы и нуля.

                                           а)                                                                              б)

Рис. 9.3 Электромеханические имитаторы логической "1" (а) и "0" (б) в инверсном режиме с индикаторной исходного напряжении

                                          а)                     б)                        в)                         г)

Рис. 9.4. Графические обозначения буферного логического элемента (а), элементов И (AND) (б), ИЛИ (OR), Исключающее ИЛИ (ХОR) (г) и их инверсные варианты во втором ряду (NOT, NAND. NOR, XNOR соответственно)

                                                 а)                                                                       б)

Рис 9.5 Электромеханические имитаторы двухвходовых элементов

В цифровой технике практические аналоги рассмотренных схем принято называть логическими элементами. При этом в зависимости от выполняемых функций каждый элемент имеет свое название и соответствующее графическое обозначение. На рис. 9.4 показаны обозначения базовых логических элементов, принятые в программе EWB4.1.

Электромеханическим аналогом буферного элемента являются имитаторы на рис. 9.3, а логического элемента НЕ (NOT) — на рис. 9.2 и 9.3. Электромеханические аналоги двухвходовых элементов И, И-НЕ показаны на рис. 9.5.

При наличии в программе EWB такого замечательного инструмента, как логический преобразователь. исследования логических схем целесообразно проводить с его помощью. В качестве примера на рис. 9.6 приведена схема дли исследование элемента Исключающее ИЛИ.

Подключение исследуемого элемента к логическому преобразователю очевидно из рис. 9.6. Очевидно также и то, что при наличии двух входов возможны только четыре комбинации входных сигналов, что отображается на экране преобразователя в виде таблицы истинности, которая генерируется после нажатия клавиши 

Для получения булева выражения исследуемого элемента необходимо нажать клавишу Это выражение приходится на дополнительном дисплее, расположенном в нижней части лицевой панели, в виде двух слагаемых, соответствующих выходному сигналу ИСТИНА (сигнал логической единицы на выходе OUT). Сопоставление полученного выражения с таблицей истинности убеждает нас в том, что таких комбинаций действительно две, если учесть, что в полученном выражении приняты следующие обозначения: А`=0 - инверсия A = 1, В'=0 — инверсия В=1, знак + соответствует логической операции ИЛИ.

Рис. 9.6. Исследование логического элемента Исключающее ИЛИ с помощью логического преобразователя

С помощью логического преобразователя можно проводить не только анализ логических устройств, но и их синтез. Допустим, что нам требуется составить схему и булево выражение для логического элемента, у которого выходная комбинация в таблице истинности не 0110, как на рис. 9.6, а 1101. Для внесения необходимых изменений отмечаем курсором в столбце OUT подлежащий изменению символ, изменяем его с помощью клавиатуры и затем, перемещаясь по столбцу клавишами управления курсором, изменяем но необходимости символы в других строках. После внесения всех изменений последовательно нажимаем на клавиши и получаем результат, представленный на рис. 9.7. Синтезированное логическое устройство показано в верхнем левом углу рис. 9.7, а его булево выражение — на дополнительном дисплее.

В более общем случае для выполнения синтеза целесообразно действовать еле дующим образом. Щелчком курсора по иконке логического преобразователя непосредственно на линейке приборов раскрываем его лицевую панель. Активизируем курсором клеммы-кнопки А,В...Н (начиная с А), количество которых равно количеству входов синтезируемого устройства. Вносим необходимые изменения в столбец OUТ и после нажатия на панели преобразователя указанных выше клавиш управления получаем результат в виде схемы на рабочем ноле программы и булево выражение в дополнительном дисплее.

Рис. 9.7. Результат синтеза логического устройства по заданной таблице истинности

В заключение заметим, что для двухвходовых элементов на рис. 9.4 можно увеличить количество входов до восьми, открывая двойным щелчком но значку компонента диалоговое окно. По умолчанию в этом окне указано минимально возможное число входов, равное двум.


Ответы на контрольные вопросы

1.Известно, что единицей измерения информации является бит. Какие значения может принимать эта единица?

Она может принимать значения 0 и 1

2.Проведите моделирование оставшихся без рассмотрения двухвходовых логических элементов на рис. 9.4 с использованием логического преобразователя и установите для каждого из них соответствие таблицы истинности и булева выражения.

После проведения моделирования для логического элемента ИЛИ были получены таблица истинности(0111) и булево выражение(A`B + AB` + AB)

После проведения моделирования для логического элемента И были получены таблица истинности(0001) и булево выражение(AB)

3. Разработайте схемы электромеханических имитаторов двухвходовых логических элементов на рис. 9.4 (за исключением элемента И).

Электромеханические имитаторы логических элементов:

-НЕ

-ИЛИ

4. Проведите синтез трехвходового логического устройства с выходной комбинацией 10011110 в таблице истинности.

Для синтеза трехвходового логического устройства необходимо в столбце OUT составляем выходную комбинацию 10011110 и активизируем выходы A,B и С. После внесения всех изменений последовательно нажимаем на клавиши и получаем синтезированное логическое устройство.

5. Установите различия в булевых выражениях и графических обозначениях логических элементов программы EWB от принятых в отечественной научно-технической литературе.


Список литературы:

  1.  Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: “Солон-Р”, 2000.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4267. Состав NVIDIA CUDA. Модель программирования CUDA 118.94 KB
  Состав NVIDIA CUDA CUDA включает два API: высокого уровня (CUDA Runtime API) и низкого (CUDA Driver API), хотя в одной программе одновременное использование обоих невозможно, нужно использовать или один или другой. Высокоуровневый работает «сверху» ...
4269. Программирование на С#. Методические указания к лабораторным работам. А.Ю. Демин, В.А. Дорофеев 2.25 MB
  А.Ю. Демин, В.А. Дорофеев. Программирование на С#. Томский политехнический университет. В пособии рассматривается введение в язык программирования С#, основные конструкции языка и типы данных, среда разработки visual Studio 2010, работа с базовыми элементами управления. Содержится указания и задания для выполнения лабораторных работ. Текстовый вариант предназначен для ознакомления. Полный обновленный вариант находится в файле который Вы можете скачать бесплатно.
4270. Электронные таблицы EXCEL. Электронный конвертер валют 77.45 KB
  Электронные таблицы EXCEL. Электронный конвертер валют. Содержание задания (постановка задачи) Разработать и реализовать в системе Excel электронный конвертер валют. Организовать удобный интерфейс с помощью встроенных форм. Пояснения к выполнению за...
4271. Программирование на языке Си. Методические указания и контрольные задания 257.07 KB
  Общая информация Язык Си – язык программирования общего назначения – отражает возможности современных компьютеров. Программы на Си отличаются компактностью, быстротой исполнения, высокой переносимостью на компьютеры с различной платфор...
4272. Создание объектов с помощью модуля классов 231.5 KB
  Создание объектов с помощью модуля классов. Создание объектов — один из самых эффективных способов программирования и управления приложениями. Перед рассмотрением преимуществ использования объектов необходимо разобраться с определениями. Объект...
4273. Отладка приложений Access 178 KB
  Отладка приложений Access. Использование средств отладки MicrosoftAccess и методик отладки, описанных в данной статье, позволяет сэкономить очень много времени, требующегося для разработки. Время, затраченное на изучение этих средств и методик...
4274. Access. Программирование на VBA. Профессиональная обработка ошибок 450 KB
  Access. Программирование на VBA. Профессиональная обработка ошибок. Признаком профессионального приложения является наличие возможности обработки ошибок. Если приложение не особенно элегантно обрабатывает ошибки, пользователи будут разочарованы вне ...
4275. Программирование на VBA. Оптимизация приложений 279 KB
  Программирование на VBA. Оптимизация приложений. Оптимизация приложения представляет собой тему для бесконечного обсуждения и споров между разработчиками. Всем нужны оптимальные решения, но что же точно означает термин оптимальный? Одни полагают, ...