24211

Исследование Логических элементов

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

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. В цифровой технике практические аналоги рассмотренных схем принято называть логическими элементами. Графические обозначения буферного логического элемента а элементов И ANDб ИЛИ OR в Исключающее ИЛИ XOR г и их инверсные варианты во втором ряду NOT NAND NOR XNOR соответственно.

Русский

2013-08-09

111 KB

20 чел.

4

Лабораторная работа № 7

исследование Логических элементов

Цель работы: закрепить теоретические знания, полученные при изучении логических элементов, провести анализ и синтез схемы элемента Исключающее ИЛИ.

Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.

Работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий.

Краткие теоретические сведения

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 состояния ключей показаны на рис.1,2 и 3.

На рис. 1 показаны ключи 1 и 0, управляемые клавишами 1 и 0 соответственно, если он находится в положении 1, лампа горит (рис. 1,а), или не горит, если он находится в положении 0 (рис. 1,б).

                         а)    б)     

Рис.7.1. Схемы электромеханических имитаторов логической единицы (а) и нуля (б).

  а)     б)

Рис. 7.2. Электромеханические имитаторы логической единицы (а) и нуля (б) в инверсном режиме.

Возможно другое расположение ключей по отношению к вспомогательным устройствам, показанное на рис. 2. В этих схемах состояние индикаторов нуля или единицы противоположно показанному на рис. 1. При нажатии на клавишу 1 индикатор фиксирует состояние 0 (рис. 2,а) и наоборот (рис. 2,б). Следовательно схемы на рис. 2 по выходному сигналу (состоянию индикаторных лампочек) обратны (инверсны) по отношению к схемам на рис. 1. Поэтому такие ключи называют инверторами.

Поскольку в цифровых системах содержится огромное количество ключей (только в одном микропроцессоре их несколько миллионов), то для взаимного обмена информацией используются электрические сигналы напряжения. При этом ключи, как правило, применяются в инверсном режиме в соответствии со схемами на рис. 3.

На рис. 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. 3, наличие на выходе логического нуля (инверсия 1) индицируется напряжением 100 мВ (в практических конструкциях может быть и больше), а наличие логической единицы — напряжением 2,55 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. 7.3. Электромеханические имитаторы логической "1" (а) и "О" (б) в инверсном режиме с индикаторами выходного напряжения.

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. 4 показаны обозначения базовых логических элементов, принятые в программе EWB 5.

                                                  а)             б)                в)            г)

Рис. 7.4. Графические обозначения буферного логического элемента (а), элементов И (AND)(б), ИЛИ (OR) (в), Исключающее ИЛИ (XOR) (г) и их инверсные варианты во втором ряду (NOT, NAND, NOR, XNOR соответственно).

Электромеханическим аналогом буферного элемента являются имитаторы на рис. 3, а логического элемента НЕ (NOT) — на рис. 2 и 3. Электромеханические аналоги двухвходовых элементов И, И-НЕ показаны на рис. 5.

а)           б)

Рис. 7.5.  Электромеханические имитаторы двухвходовых элементов.

Задание на подготовку к работе

  1.  Изучить принцип работы логических элементов.
  2.  Изучить порядок выполнения работы и подготовить необходимые схемы и таблицы.

Контрольные вопросы

  1.  Составьте таблицу истинности элемента И-НЕ  
  2.  Составьте таблицу истинности элемента И  
  3.  Изобразите схему реализации элемента ИЛИ
  4.  Изобразите схему реализации элемента НЕ
  5.  Изобразите схему реализации элемента И

Порядок выполнения работы

  1.  Изучите работу логического преобразователя [9].
  2.  Проведите анализ схемы элемента «Исключающее ИЛИ».

Составьте булево выажение и таблицу истинности для логического элемента «Исключающее ИЛИ». Подставляя в булево выражение все возможные комбинации входных сигналов убедитесь в правильности составленной вами таблицы истинности.

Проверьте теоретические результаты с помощью логического преобразователя. Для этого соберите схему рис. 6. Нажмите клавишу и на экране появится таблица истинности.

Для получения булева выражения исследуемого элемента необходимо нажать клавишу .Это выражение приводится 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 А=1, В'=0 — инверсия В=1 знак + соответствует логической операции ИЛИ.

Рис. 7.6. Исследование логического элемента «Исключающее ИЛИ» с помощью логического преобразователя.

3) Проведите синтез схемы элемента «Исключающее ИЛИ».

Допустим, что нам требуется составить схему и булево выражение для логического элемента, у которого выходная комбинация в таблице истинности не 0110, как на рис. 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 по необходимости символы в других строках. После внесения всех изменений последовательно нажимаем на клавиши и получаем результат, представленный на рис. 7. Синтезированное логическое устройство показано в верхнем левом углу рис .7, а его булево выражение — на дополнительном дисплее.

В более общем случае для выполнения синтеза целесообразно действовать следующим 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 OUT и после нажатия на панели преобразователя указанных выше клавиш управления получаем результат в виде схемы на рабочем поле программы и булево выражение  на дополнительном дисплее.

Рис. 7.7. Результат синтеза логического устройства по заданной таблице истинности.

Рис. 7.8. Окно установки количества входов логического элемента.

   

Для двухвходовых элементов на рис.4 можно увеличить количество входов до восьми, открывая двойным щелчком по значку компонента диалоговое окно (рис. 8). По умолчанию в этом окне указано минимально возможное число входов, равное двум.

4)  Проведите моделирование оставшихся без рассмотрения двухвходовых логических элементов на рис. 4 с использованием логического преобразователя и установите для каждого из них соответствие таблицы истинности и булева выражения.

5)  Разработайте схемы электромеханических имитаторов двухвходовых логических элементов на рис.4 (за исключением элемента И)                                              

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

7) Вызовите на экран принципиальную схему исследуемого элемента "Исключающее ИЛИ"  и зарисуйте ее.

8) С помощью осциллографа просмотрите и зарисуйте сигналы на входах и выходах исследуемого элемента и объясните его работу.

Содержание отчета

  1.  Название и цель лабораторной работы.
  2.  Схемы проводимых исследований.
  3.  Наименование каждого пункта исследования и полученные результаты по каждому пункту исследования.
  4.  Выводы по результатам исследований.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69138. Аналоговая схемотехника 76 KB
  Аналоговая схемотехника Различают: линейный и нелинейный сигналы. Линейный сигнал синус: Данный сигнал несет информацию по двум параметрам: амплитуда w круговая частота где; От частоты зависит тембр звуки. К импульсным нелинейным сигналам относится...
69139. Усилители 43.5 KB
  Усилитель устройство электронная схема предназначенное для преобразования энергии источника питания в полезный сигнал отдаваемый в нагрузку. УНЧ усилитель низких частот состоит из каскада предварительного усиления и усилителя мощности.
69140. Усилитель постоянного тока 60.5 KB
  Для дифференциального каскада различают два сигнала: дифференциальный полезный который нужно усилить; синфазный сигнал сигнал ошибки. Kuд коэффициент усиления дифференциального сигнала Kuд 1 Kuсф коэффициент ослабления синфазного сигнала Kuд 1 ООС вводится для стабилизации работы.
69141. Операционные усилители. Основные параметры операционного усилителя 50.5 KB
  Используются для усиления постоянного и переменного сигнала как инвертор или повторитель сигнала а также как часть более сложного устройства источник тока источник напряжения и т. fгр граничная частота работы ОУ некритический параметр...
69142. Генераторы гармонических колебаний 73 KB
  Генераторы гармонических колебаний Выдают синус на выходе. Генераторы делятся на: генераторы с внешним возбуждением; генераторы с самовозбуждением. Генераторы строятся на базе усилителя и ПОС.
69143. Датчики 178.5 KB
  Датчики реагируют на различные виды воздействий. Датчики температуры. Таблица 1 Датчики температуры Виды датчиков Типы датчиков Диапазон сопротивлений Ом Диапазон рабочих температур оС Достоинства Недостатки Проволочные термосопротивления ТСМ Линейная...
69145. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОНИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 84 KB
  Этапы и направления развития электроники. Классификация и области применения устройств компьютерной электроники. Значительные изменения во многих отраслях науки и техники обусловлены развитием электроники.
69146. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА КОМПЬЮТЕРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 328.5 KB
  Постоянные резисторы подразделяют на резисторы общего и специального назначения. Резисторы общего назначения имеют диапазон номинальных значений сопротивлений от 1 Ом до 10 МОм с номинальной мощностью рассеяния от 0125 до 100 Вт.