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

22 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

62257. Самым лучшим уроком жизни бывает армия 20.01 KB
  Армия Что на самом деле дает этот важный урок в нашей жизни Вопрос на самом деле очень интересен и важен но в то же время кажущимся бесполезным для всех тех героев которые отслужили и вернулись домой. Армия Отнимает она на первый взгляд кажется больше чем дает. При всем моем огромном желании возможностях и начальных способностях я не умею воевать Задавим количеством А если Китай Что же на самом деле дает Армия Ты вглядываешься на жизнь совсем с другой стороны учишься жить в большом непростом коллективе когда каждый сам за...
62259. Счет победителей. Невыученные уроки войн, проигранных Россией 442.6 KB
  Прекратилась ли после этого информационная психологическая война Запада против России Сошла ли на нет русофобия Не прекратилась и не сошла. Вовторых восприятие России Западом как Чужого повидимому сохранится до тех пор пока Россия и Запад будут существовать в их нынешнем виде. Втретьих Запад в долгосрочной перспективе будет стремиться к максимальному ослаблению вплоть до раздробления России об этом откровенно говорили и говорят многие на Западе включая друга Билла Клинтона в октябре 1995 г. до такой степени при которой...
62263. КУЛЬТУРА КИЇВСЬКОЇ РУСІ ТА ГАЛИЦЬКО-ВОЛИНСЬКОЇ ДЕРЖАВИ 36.37 KB
  Матеріальна і духовна культура східних слов’ян. Культура Київської Русі та ГалицькоВолинського князівства IX – до сер. Основою культури Київської Русі була багатовікова самобутня культурна традиція східнослов’янських племен. Торгівля продуктами сільського господарства і ремесла спочатку мала характер обміну як всередині общини так і між племенами та землями Київської Русі.
62264. Окремі організаційні та функціональні складові судів в Україні 45.99 KB
  Члени Вищої кваліфікаційної комісії суддів України з числа суддів призначаються зїздом суддів України відкритим або таємним голосуванням. Зїзд суддів може обрати більше ніж шість суддів на випадок вибуття одного або кількох членів зі складу Комісії...