| Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ ТИПА ТТЛ
Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине
Микроэлектроника
для направления для направления 210100 «Электроника и микроэлектроника»,
для специальности 210107 «Электронное машиностроение»
Екатеринбург
2006
УДК 621.37
Составитель И.Н.Тихонов
Научный редактор доц., канд.техн.наук В.Н.Гулин
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ ТИПА ТТЛ: Методические указания к лабораторной работе по курсу "Микроэлектроника" / И.Н.Тихонов. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2006. 11 с.
В лабораторной работе рассматриваются вопросы построения и испытания цифровых устройств на базе логических микросхем типа ТТЛ.
Подготовлено кафедрой
"Электронное машиностроение".
© «Уральский государственный
технический университет – УПИ», 2006
Лабораторная работа №2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ ТИПА ТТЛ
2.1. Цель работы
Целью работы является ознакомление с функциями микросхем средней степени интеграции на примере анализа работы простейших логических и триггерных ТТЛ микросхем типа К155ЛР3, К155ТМ2, К155ИР1, К155ИЕ2.
2.2. Порядок выполнения работы
2.2.1.
Внимательно ознакомиться с методическим руководством - с методикой проведения эксперимента (раздел 2.3), с основами работы микросхем (раздел 2.4), с устройством и принципом работы лабораторного стенда (раздел 2.5), требованиями к отчету (раздел 2.6).
2.2.2.
Ответить на вопросы преподавателя по содержанию работы и методике проведения исследований. Получить допуск к практической части работы и номера заданий.
2.2.3.
Установить на лабораторном стенде микросхемы и исследовать их работу согласно заданию в соответствии с методикой проведения эксперимента (раздел 2.3).
2.2.4.
Показать преподавателю работу микросхем и ответить на вопросы по их работе (для каждого задания).
2.2.5.
Оформить и сдать отчёт.
2.3. Методика проведения эксперимента
2.3.1.
Микросхема устанавливается на специальном лабораторном стенде, описание которого приведено в разделе 2.5. Перед началом работ следует получить комплект микросхем на колодках, подключить стенд к сети и проверкой убедиться в исправности индикаторов и генератора.
2.3.2.
Получить у преподавателя номера заданий. В зависимости от сложности заданий и учебной специальности выдается 2-4 задания из табл. 2.1.
Установить микросхему на лабораторном стенде и проверить правильность её работы подавая на входы схемы при помощи тумблеров различные комбинации логических сигналов и снимая показания светодиодов, соответствующие выходным сигналам.
| Задания для лабораторной работы № 2.
|
Таблица 2.1
|
| Номер задания
|
Содержание задания
|
Примечания
|
| 1
|
Провести анализ работы микросхемы К155ЛР3
|
Подавая на входы различные комбинации логических сигналов, составить таблицу соответствия (упрощенно) и определить логику работы микросхемы. Записать логическую схему и логическое выражение.
|
| 2
|
Провести анализ работы микросхемы - "черного ящика"
|
Составить таблицу соответствия. Записать логическую схему и логическое выражение.
|
| 3
|
Провести анализ работы микросхемы К155ТМ2
|
Продемонстрировать работу МС по входам R, S и D, C. С помощью внешнего соединения преобразовать МС в Т-триггер
|
| 4
|
Провести анализ работы микросхемы К155ИР1
|
Продемонстрировать работу МС в режиме параллельной и последовательной записи. С помощью внешнего соединения установить режим "бесконечного" сдвига информации по кольцу (бегущий огонь)
|
| 5
|
Провести анализ работы микросхемы К155ИЕ2
|
Определить, на сколько импульсов и в каком коде (для выводов A, B, C, D) производится счет в 1-м и 2-м положении тумблера
|
2.3.3.
При работе с лабораторным стендом придерживаться следующей последовательности действий:
-выключить питание ("сеть");
-установить микросхему на колодке в гнездо стенда;
-поставить все тумблеры в "отжатое" положение, т.е. в положение подачи логической "1" на все выводы при отключенном генераторе импульсов;
-подать сетевое питание на стенд тумблером "ВКЛ";
-подавая согласно заданию сигналы на входы микросхемы с помощью тумблеров и генератора импульсов, снять и записать показания светодиодов, соответствующие состояниям на выходе микросхемы.
2.3.4.
После окончания экспериментов проводится обработка результатов, выполняются необходимые рисунки и оформляется отчёт.
Внимание! Категорически запрещается подавать на выводы, соответствующие логическим ВЫХОДАМ микросхемы, напряжения логического "0", т.е. подключать к этим выводам генератор и устанавливать кнопки в "нажатое" положение.
2.4. Необходимые сведения о работе микросхем
Среди микросхем средней степени интеграции очень широкое применение нашли микросхемы ТТЛ, изготовленные по планарно-эпитаксиальной технологии на кристаллах кремния с изоляцией элементов p-n переходом и называемые схемами транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Микросхемы ТТЛ первых серий разработки имеют среднее быстродействие, соответствующее тактовой частоте переключения 10-20 МГц, и достаточно большую потребляемую мощность. Дальнейшее развитие серии ТТЛ идет по пути повышения быстродействия и снижения потребляемой мощности при сохранении основных электрических параметров (уровня сигналов, напряжения питания), структуры и цоколёвки. Прежде всего это касается микросхем ТТЛШ, имеющих во внутренней структуре p-n переходы с барьером Шотки. Следует вспомнить, что эффект Шотки снижает пороговое напряжение открывания кремниевого диода от обычных 0,7 В до 0,2-0,3 В и значительно уменьшает время жизни неосновных носителей в полупроводнике. К микросхемам ТТЛ (ТТЛШ) относится большая группа серий, например К134, К155, К131, К555, К531, К1533, К1531.
На лабораторной работе изучаются микросхемы серии К155 - одной из первых разработанных серий ТТЛ. Данная серия представлена свыше 100 наименованиями микросхем - от простейших логических элементов до сложных устройств типа счётчиков, регистров, шифраторов, дешифраторов, мультиплексоров, сумматоров, оперативных и постоянных запоминающих устройств и др.
2.4.1. Микросхема К155ЛР3
Микросхема К155ЛР3 является комбинацией простейших логических элементов и предлагается для изучения в качестве "чёрного ящика". Для облегчения исследования микросхемы на рис. 2.1 представлена схема соединения отдельных логических элементов и нумерация выводов.
Рис. 2.1.
Микросхема К155ЛР3
Задание.
Подавая на входы различные комбинации логических сигналов, определить логику работы микросхемы.
2.4.2. Микросхема К155ТМ2
Микросхема К155ТМ2 содержит два независимых D-триггера с прямым и инверсным выходами в одном корпусе. Раздельные входы R и S служат для асинхронной (то есть независимой от сигнала на тактовом входе) установки триггера в нулевое и единичное состояния соответственно. Работа данного триггера по входам R и S аналогична работе RS-триггера, рассмотренного на лабораторной работе № 1. При наличии на входах R и S логических уровней, соответствующих состоянию "запоминания", триггер может переключаться при прохождении тактового (стробирующего) сигнала на входе С, если предварительно был изменен уровень на входе D.
Нумерация выводов микросхемы К155ТМ2 приведена на рисунке справа.
Задание.
Продемонстрировать преподавателю работу триггера во всех режимах. Установить, по какому (положительному или отрицательному) фронту тактового импульса происходит переключение триггера. С помощью внешнего соединения преобразовать один из триггеров микросхемы К155ТМ2 в Т-триггер.
2.4.3. Микросхема К155ИР1
Микросхема К155ИР1 - четырёхразрядный, сдвиговый регистр. Он имеет последовательный вход данных S1 (вывод 1), четыре параллельных входа D0-D3 (выводы 2 - 5), и два тактовых входа С1 и С2 (выводы 9 и 8). Вход параллельной загрузки РЕ (вывод 6) служит для выбора режима работы регистра.
Если на вход РЕ подается напряжение высокого уровня, то разрешается работа тактовому входу С2. В момент прихода на этот вход перепада тактового импульса в регистр (выходы Q0, Q1, Q2, Q3 - выводы 13-10) загружаются данные от параллельных входов D0-D3.
Если на вход РЕ подано напряжение низкого уровня, разрешается работа тактовому входу С1. Фронты тактовых импульсов сдвигают данные от последовательного входа S1 на выход Q0, затем на Q1, Q2 и Q3.
Таким образом, регистр может работать в режиме параллельной и последовательной записи информации.
Параллельная запись информации означает запись n-разрядной информации (данных) с n входов на n выходов одновременно, за один такт.
Последовательная запись информации означает запись n-разрядной информации (данных) с одного входа на n выходов последовательно за n тактов.
Нумерация выводов микросхемы К155ИР1 приведена на рисунке справа.
Задание.
Продемонстрировать преподавателю работу регистра по записи заданного числа в режимах последовательной и параллельной записи, определить, по какому (отрицательному или положительному) перепаду тактового импульса происходит запись информации. С помощью внешнего соединения установить режим "бесконечного" сдвига информации по кольцу (бегущий огонь).
2.4.4. Счетчики
Соединив последовательно несколько триггерных схем - делителей частоты на два, можно получить простейший многоразрядный двоичный делитель. Более общее название для делителей частоты - счётчики. Коэффициент деления счётчика, состоящего из n-триггеров типа Т, составляет 2n, где n - число двоичных разрядов счетчика. В настоящее время используется много вариантов счётных схем: асинхронные и синхронные (с одновременным изменением сигналов на всех выходах); двоичные и десятичные (с коэффициентами деления 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16 и т.д.); однонаправленные, только с увеличением счета, и двунаправленные, счет в которых может увеличиваться и уменьшаться (такие счетчики называют реверсивными); с постоянным или переключаемым коэффициентом деления.
Основой любой из этих схем служит линейка из нескольких триггеров. Варианты счётчиков отличаются схемами управления этими триггерами. Между триггерами добавляются логические связи, назначение которых - запретить прохождение в цикле счёта лишним импульсам. Например, четырехтриггерный счетчик может делить исходную частоту на 16, так как 24=16. Получим минимальный выходной код 0000, а максимальный - 1111. Чтобы построить счётчик-делитель на 10, трех триггеров недостаточно (10>23), поэтому десятичный счетчик содержит в своей основе четыре триггера, но имеет обратные связи, останавливающие счёт при коде 9=1001.
Микросхема К155ИЕ2
Микросхема К155ИЕ2 - четырехразрядный асинхронный счетчик. Имеет четыре триггера , разделенные на две независимые схемы. Путем коммутации входов и выходов можно получить различные кодовые комбинации счета. Счетчик имеет два счётных входа С1 и С2, два входа R (R1 и R2) для асинхронного сброса и два асинхронных входа S (S1 и S2) для предварительной записи в счётчик двоичного кода, соответствующего последней цифре счёта.
Входы асинхронного сброса R1 и R2 (двухвходовой элемент И) запрещают действие импульсов по счётным входам и входам установки S. Две "1", поданные на вход R, дают сброс данных по всем триггерам одновременно. При этом все выходы счётчика Qa - Qd устанавливаются в нулевое состояние. Две "1" на входах S1 и S2 (двухвходовой элемент И) запрещают прохождение на счётчик импульсов, а также сигналов от входов R1 и R2. При этом на выходах счётчика Qa - Qd устанавливается напряжение выходных уровней, соответствующее последней счётной цифре.
Схема подключения микросхемы К155ИЕ2 к колодке показана на рисунке слева.
Таким образом при переключении тумблера в положение "1" и "2" счётчик подключается по следующим схемам:
|  
а) б)
|
Рис. 2.2.
Варианты подключения МС К155ИЕ2: а) тумблер в положении "1" (счётный вход - С1); б) тумблер в положении "2" (счётный вход - С2)
Задание.
Определить, на сколько импульсов и в каком коде (для выводов A, B, C, D) производится счет в 1-м и 2-м положении тумблера.
При выполнении задания учесть, что в обоих случаях последовательность импульсов преобразуется в неравновесный взвешенный (весовой) код. При составлении таблицы соответствия номеров импульсов и кодовых комбинаций на выходе рекомендуется предварительно производить сброс триггера по входам принудительной установки R или S.
2.5. Устройство лабораторного стенда
Лабораторный стенд предназначен для исследования 14-выводных микросхем средней степени интеграции путём подачи на входы заданных уровней логических "0" и "1" или серии импульсов (меандр) от генератора.
Стенд выполнен в виде корпуса, на переднюю панель которого выведены разъём для подключения микросхем, тумблеры управления и устройства индикации. На рис. 2.3 упрощенно представлен внешний вид лицевой панели с указанием основных элементов.
Лабораторный стенд состоит из следующих функциональных блоков: блока питания, генератора импульсов с переключателем выводов, блока индикации, блока механических переключателей и разъёма для подключения колодок с микросхемами.
Блок питания обеспечивает постоянное напряжение 5 В, используемое для питания микросхем и схемы установки.
Рис. 2.3.
Лицевая панель лабораторного стенда
Генератор импульсов
выделяет серии импульсов для подачи их на входы подключаемой в разъём микросхемы. Серии импульсов предназначены для работы микросхем с динамическими входами (триггеры, счётчики, регистры). Частота следования импульсов, имеющих форму меандра, составляет около 1 Гц. Логическому "0" соответствует уровень напряжения не более 0,4 В (0...0,4 В), логической "1" - не менее 2,4 В (2,4...5 В). Подключение генератора производится кнопкой " ". Рядом с кнопкой установлен светодиодный индикатор для контроля выходного сигнала генератора и переключатель выводов, позволяющий подать сигнал генератора на любой из выводов МС, исключая выводы питания.
Блок механических переключателей
представляет собой 12 кнопочных переключателей с независимой фиксацией, позволяющих подавать на выводы МС любую комбинацию "0" и "1". Нажатая кнопка замыкает вывод МС на "землю" и тем самым подает на вывод логический "0". В связи с этим не нажимайте кнопки у логических выходов МС, иначе произойдет короткое замыкание выходных элементов МС
.
Блок индикации
состоит из схемы управления и 12 светодиодов, расположенных около кнопочных переключателей. Светодиоды позволяют визуально наблюдать за уровнями напряжения входных и выходных сигналов МС. Свечение светодиода соответствует уровню логической "1" на данном выводе.
При выполнении заданий рекомендуется опытным путём ознакомиться с явлением "дребезга контактов", характерным для механических переключателей, особенно для низкоскоростных, таких как П2К, применённых в данном лабораторном стенде. Выявить "дребезг контактов" легче всего при изучении работы счётчика К155ИЕ2 и сдвигового регистра К155ИР1 в режиме последовательной записи. Для этого следует сравнить результаты работы МС при подаче тактовых (синхронизирующих) импульсов от встроенного генератора с результатами работы МС при подаче тактовых импульсов вручную путем одного или нескольких нажатий кнопки тактового входа при отключенном сигнале генератора.
2.6. Требования к отчёту
В отчёте должно быть отражено следующее:
2.6.1.
Дата, название работы, фамилии студентов, выполнявших работу.
2.6.2.
Задание.
2.6.3.
Необходимые рисунки схем, формулы и пояснения.
2.6.4.
Заполненные таблицы соответствия или временные диаграммы.
2.6.5.
Выводы по каждому заданию.
|
