Исследование работы логических элементов. Исследование логических элементов и синтез логических схем. Порядок выполнения эксперимента

Цель работы : 1) изучение принципов построения серийных логических микросхем;

2) исследование логических функций одного и двух переменных и их реализация.

Общие сведения:

Логические элементы (ЛЭ) широко применяются в автоматике, вычислительной технике и цифровых измерительных приборах. Их создают на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме, при котором уровни сигналов могут принимать только два значения. В положительной логике принято, что высокий уровень сигнала соответствует логической единице (1), а низкий – логическому нулю (0).

Логическая функция выражает зависимость выходных логических переменных от входных и принимает значения 0 или 1. Любую логическую функцию удобно представить в виде таблицы состояний (таблицы истинности), где записываются возможные комбинации аргументов и соответствующие им функции.

Работу логических устройств анализируют с помощью алгебры логики (булевой алгебры), где переменная может принимать только два значения: 0 или 1.

Основными логическими операциями являются (табл.1):

1) логическое умножение: y =x 1 ·x 2 ·...·x n (читается “и х 1 , и х 2 ,..., и х n ”);

2) логическое сложение: y =x 1 +x 2 +...+x n (читается “или х 1 , или х 2 ,..., или х n ”);

3) логическое отрицание: (читается “не х ”).

Как видно из табл.1, выходной сигнал у элемента ИЛИ равен 1, если хотя бы один из его входов подан сигнал 1. Элемент И выдает 1, если на все входы поданы сигналы 1.

Все возможные логические функции n переменных можно образовать с помощью комбинации трех основных операций: И, ИЛИ, НЕ. Поэтому такой набор называют логическим базисом или функционально полным. Используя законы булевой алгебры (табл. 1), можно доказать, что таковыми являются наборы из одной функции И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

В базовых элементах одной серии использована одинаковая микросхемная реализация. Серия характеризуется общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами.

Интегральные микросхемы серии 155 представляют собой транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ) элементы с 14 или 16 выводами. Базовым элементом серии является логический элемент И-НЕ, состоящий из многоэмиттерного транзистора VT1 и сложного усилителя-инвертора.

Таблица 1

Тип Элемента	Логическая функция (операция)	Обозначение Логической Операции	Таблица истинности	Условное Изображение
x 1
x 2
Элемент НЕ (инвертор)	Логическое Отрицание, Инверсия	ùx	x		X 1 y

Элемент И (конъюнктор)	Логическое умножение, Конъюнкция	x 1 ·x 2 x 1 x 2 x 1 Ùx 2 x 1 &x 2	x 1 ·x 2			x 1 & y x 2 y=x 1 ×x 2
Элемент ИЛИ (дизъюнктор)	Логическое сложение, Дизъюнкция	x 1 +x 2 x 1 Úx 2	x 1 +x 2			x 1 1 y x 2 y=x 1 +x 2
Элемент И-НЕ (элемент Шеффера)	Отрицание конъюнкции	_____ x 1 ·x 2	_____ x 1 ·x 2			x 1 & y x 2 y=
Элемент ИЛИ-НЕ (элемент Пирса)	Отрицание дизъюнкции	_____ x 1 +x 2	_____ x 1 +x 2			x 1 1 y x 2 y=

В настоящее время применяется несколько разновидностей серий микросхем с элементами ТТЛ: стандартные (серии 133; К155), высокого быстродействия (серии 130; К131), микромощные (серия 134). Кроме расширения номенклатуры элементов серий К531 и К555 сейчас активно развиваются наиболее перспективные серии ТТЛШ - микромощная К1533 и быстродействующая К1531, выполненные на основе последних достижений технологии изготовления ИС - ионной имплантации и прецизионной фотолитографии.

В последние годы получили развитие программируемые логические элементы, на которых с помощью программаторов можно построить многие цифровые устройства.

Любая сложная логическая функция может быть реализована с помощью ЛЭ, выполняющих элементарные функции И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Пусть требуется составить комбинационную схему с четырьмя входами x 1 , x 2 , x 3 , x 4 и одним выходом y . Высокий уровень напряжения должен появляться на выходе только при наличии высоких уровней на трех входах, т.е. y =1 при x 1 =x 2 =x 3 =1 и x 4 =0. Такую схему можно составить путем подбора элементов. Например, элемент 3И-НЕ при подаче на его входы x 1 =x 2 =x 3 =1 дает на выходе сигнал y 1 =0. Подавая его и x 4 =0 на вход элемента 2ИЛИ-НЕ, получаем y =1(рис.1).

Порядок выполнения эксперимента:

1) Установить блок логических элементов (ЛЭ).

2) Подключить источник питания ГН1 к гнёздам "5В".

3) Изучить принцип работы ЛЭ. Для этого подавать на их входы сигналы (0 или 1). Выходы контролировать при помощи логического тестера.

4) Собрать на ЛЭ комбинационные схемы (рис.2).

Проверить их работу. Составить таблицы истинности исследуемых схем.

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Схемы логических элементов.

4. Таблицы истинности.

5. Вывод по работе.

В выводе указать назначение логических элементов и область их применения.

Контрольные вопросы:

1. Какие операции алгебры логики Вы знаете?

2. Приведите примеры простейших цифровых устройств на основе логических элементов.

3. Поясните работу базовых логических элементов.

4. Как классифицируются ЛЭ по микросхемной реализации.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРОВ НА ЛОГИЧЕСКИХ ИМС .

Цель работы: изучение схем и функциональных возможностей основных типов триггеров; экспериментальное изучение триггеров и схем управления.

Цель работы . Ознакомление с основными функциями и законами алгебры логики, характеристиками логических микросхем, основами анализа и синтеза простых и сложных логических схем.

Краткие теоретические сведения.

Анализ работы цифровых устройств и синтез логических цепей производится на основе математического аппарата алгебры логики или «булевой» алгебры, оперирующей только двумя понятиями: истинным (логическая «1») и ложным (логический «0»). Функции, отображающие такую информацию, а также устройства, формирующие функции алгебры логики, называются логическими. Логические функции нескольких переменных определяют характер логических операций, в результате которых набору входных переменных x 0 , x 1 ,…, x n -1 ставится в соответствие выходная переменная F

F = f (x 0 , x 1 ,…, x n -1 ).

Функция преобразования характеризуется таблицей, в которой каждой комбинации входных переменных соответствует значение выходной переменной F . Ее называют таблицей истинности.

Основными функциями алгебры логики, с помощью которых можно осуществлять любые логические преобразования, являются логическое умножение (конъюнкция), логическое сложение (дизъюнкция) и логическое отрицание (инверсия).

Алгебра логики позволяет преобразовывать формулы, описывающие сложные логические зависимости, с целью их упрощения. Это помогает в конечном итоге определять оптимальную структуру того или иного цифрового автомата, реализующего любую сложную функцию. Под оптимальной структурой принято понимать такое построение автомата, при котором число входящих в его состав элементов минимально.

Основные законы алгебры логики .

Переместительный закон:

a + b = b + а; ab = ba .

Сочетательный закон:

(a + b) + c = a + (b + c); (ab)c = a(bc).

Распределительный закон:

a(b + c) = ab + ac; a + bc = (a + b)(a +c).

Закон поглощения:

a + ab = a(1 + b) = a; a(a + b) = a + ab = a.

Закон склеивания:

ab + a = a ; (a + b )(a + ) = a .

Закон отрицания:

или
.

Логические элементы . Логические элементы используют в качестве значений входных и выходных напряжений лишь два уровня: «высокий» и «низкий». Если логическому «0» соответствует напряжение низкого уровня, а логической «1» – высокого, то такую логику называют положительной, и наоборот, если за логический «0» принимают напряжение высокого уровня, а за логическую «1» – напряжение низкого уровня, то такую логику называют отрицательной. В транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ) напряжение логического «0» – U 0 составляет десятые доли вольт (менее 0,4 В), а напряжение логической «1» – U 1 >2,4 В. Логические элементы реализуют простейшие функции или систему функций алгебры логики.

	Таблица 1

ростейшей функцией алгебры логики является функция НЕ. Она реализуется с помощью инвертора, условное графическое обозначение которого приведено на рис. 1. На вход инвертора подается величинаX , которая может принимать два значения: «0» и «1». Выходная величина Y , при этом тоже принимает два значения: «1» и «0». Взаимно однозначное соответствие X и Y дается таблицей истинности (табл. 1), причем значение выходной величины Y зависит не от предыдущих значений, а лишь от текущего значения входной величины X : Y =

Это справедливо для всех логических элементов, не имеющих памяти, у которых в таблице истинности значение Y не зависит от порядка строк.

		Таблица 2

огическими элементами, реализующими функции логического сложения и логического умножения, являются элементы ИЛИ и И. Таблицы истинности для этих элементов однозначно связывают значение выходной величиныY со значениями двух (или более) входных величин х l , х 2 , ... x n . Условные графические обозначения логических элементов ИЛИ и И приведены соответственно на рис. 2 и 3, а их таблицы истинности – в таблицах 2 и 3. Например, для логического элемента 2-ИЛИ, реализующего дизъюнкцию

Y = х l + х 2 или Y = х l  х 2 ,

а для элемента 2-И, реализующего конъюнкцию

Y = х l  х 2 или Y = х l  х 2 .

		Таблица 3

а наборе логических элементов И, ИЛИ, НЕ можно реализовать любую сколь угодно сложную логическую функцию, поэтому данный набор элементов называют функционально полным.

На практике часто используется расширенный набор логических элементов, позволяющих также составлять функционально полные системы. К ним относятся элементы:

ИЛИ-НЕ (элемент Пирса), реализующий функцию

;

И-НЕ (элемент Шеффера), реализующий функцию

Их обозначения и таблицы истинности приведены на рис. 4 и в табл. 4.

			Таблица 4

В частности функционально полные системы могут состоять из элементов только одного типа, например, реализующих функцию И-НЕ либо ИЛИ-НЕ.

Комбинационные логические цепи – это такие цепи, выходные сигналы которых однозначно определяются сигналами, присутствующими на их входах в рассматриваемый момент времени и не зависят от предыдущего состояния.

Набор логических элементов, входящих в состав учебного стенда по основам цифровой техники не содержит элементов, реализующих функцию ИЛИ-НЕ, что ограничивает число вариантов построения логических схем при их синтезе и позволяет составлять схемы только в базисе элементов И-НЕ.

Прежде чем перейти к вопросам анализа и синтеза логических устройств в заданном базисе элементов (И-НЕ), необходимо составить таблицу, в которую будут сведены все возможные формы представления выходных сигналов указанных элементов при условии, что на их входы поданы логические переменные х l и х 2 . При синтезе схем можно использовать два технических приема: двойное инвертирование входного исходного выражения или его части и применение теорем Де-Моргана. При этом функция преобразуется к виду, содержащему только операции логического умножения и инверсии, и переписывается через условные обозначения операции И-НЕ и НЕ.

Последовательность проведения анализа и синтеза комбинационных логических цепей:

Составление таблицы функционирования логической цепи (таблицы истинности).

Запись логической функции.

Минимизация логической функции и преобразование ее к виду, удобному для реализации в заданном базисе логических элементов (И-НЕ, НЕ).

Пример проведения анализа и синтеза логических цепей .

Пусть необходимо построить мажоритарную ячейку (ячейку голосования) на три входа, т.е. такую ячейку, у которой сигнал на выходе равен единице тогда, когда на двух или трех входах цепи присутствует сигнал единицы, в противном случае выходной сигнал должен быть равен нулю.

Вначале заполним таблицу истинности (табл. 5). Поскольку в данном случае имеются три входных сигнала х 1 , х 2 , х 3 , каждый из которых может принимать одно из двух возможных значений (0 или 1), то всего может быть восемь различных комбинаций этих сигналов. Четырем из этих комбинаций будет соответствовать выходной сигнал F , равный единице.

Таблица 5

x 1	x 2	x 3

Пользуясь данными табл. 5, можно записать логическую функцию, которую должна реализовать синтезируемая цепь. Для этого нужно представить эту функцию в виде суммы логических произведений, соответствующих тем строкам табл. 5 (3, 5-7), для которых функция F равна единице. Аргументы записываются без инверсии, если они равны единице и с инверсией, если равны нулю.

Если в синтезируемой таблице истинности выходная величина чаще принимает значение «1», то синтезируются строки, в которых выходная величина равна «0».

При выполнении заданной процедуры получим функцию

F = . (1)

Для минимизации (упрощения) данной функции нужно применить основные законы алгебры логики. Возможна следующая последовательность преобразований, например, с применением закона склеивания (теоремы Де-Моргана):

F = =

+
=
. (2)

Как видно, полученное конечное выражение гораздо проще исходного.

Аналогично проводится анализ (составление таблиц истинности) и более сложных логических схем.

Для выполнения задания предлагается набор наиболее распространенных логических элементов (рис. 5).

Рис. 5. Набор логических элементов для выполнения задания

Задание к лабораторной работе

1. Составить таблицы истинности для всех логических элементов, приведенных на рис. 5.

2. Для каждого логического элемента из набора представленных на рис. 5. составить логические выражения, реализующие их функции в базисе логических элементов НЕ и И-НЕ и начертить полученные тождественные схемы.

3. Собрать рассмотренные схемы на стенде и, путем перебора комбинаций входных сигналов, составить их таблицы истинности.

4. Используя законы отрицания (теоремы Де-Моргана) произвести преобразование минимизированной функции (2) для реализации ее в базисе логических элементов НЕ и И-НЕ и начертить полученную тождественную схему.

5. Собрать представленную схему на стенде и, путем перебора комбинаций входных сигналов, проверить соответствие ее работы таблице истинности (табл. 5).

Контрольные вопросы

Что такое функционально полная система и базис логических элементов?

В чем особенности синтеза логических устройств?

В чем заключаются принципы минимизации логических устройств?

Назовите основные операции булевой алгебры.

Что отражают теоремы булевой алгебры? Сформулировать теоремы Де-Моргана: поглощения и склеивания.

Какие цифровые устройства называются комбинационными?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Лабораторная работа №2

Литература:

2. В.С. Ямпольский Основы автоматики и ЭВТ. – М.: Просвещение. - 1991. - §3.1 ‑3.4

Ход работы:

Включить терминал, подключиться к локальной сети и загрузить сайт «Основы микроэлектроники». Выбрать номер лабораторной работы, зарегистрироваться и приступить к выполнению заданий согласно появляющимся на экране инструкциям и данному описанию.
В каждом из 10 заданий выделить из приведенной схемы цифрового автомата узел, содержащий только логические элементы, и изобразить его принципиальную схему, используя УГО российского стандарта
Смоделировать работу каждой схемы средствами Electronic Workbench и составить таблицу истинности исследуемого устройства
Определить логическую функцию исследуемого устройства и привести его условное графическое изображение (УГО)
В каждом задании составить дополнительно две схемы реализации той же логической функции на элементах 2И-НЕ (элемент Шеффера) и элементах 2ИЛИ-НЕ (элемент Пирса), используя минимальное количество вентилей
В задании 11 по аналогии с предыдущими схемами дополнить приведенное устройство схемой узла, позволяющего подавать на входы Х1¸Х3 произвольную комбинацию логических сигналов и индицировать состояние каждого входа и выхода. Исследовать работу схемы аналогично предыдущим заданиям

Отчет к каждому заданию лабораторной работы оформлять по образцу, приведенному в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

При защите работы уметь объяснить каждый из полученных результатов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Фрагмент отчета (на примере одного задания)

Задание 1.

Пример схемы, приведенной в задании.

В таком виде перерисовывать её не нужно !

Фрагмент отчета по данному заданию приводится ниже.

Задание 1: выполняемая схемой функция ‑ «2И-НЕ»

Схема: УГО: Таблица истинности:

«2И-НЕ» на элементах Шеффера. «2И-НЕ» на элементах Пирса.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

УГО и таблицы истинности некоторых логических элементов

1. Элемент «2И-НЕ»

2. Элемент «2ИЛИ-НЕ»

3. Элемент «исключающее ИЛИ»

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Примеры условных графических обозначений логических элементов по ГОСТ (российский стандарт) и ANSI (American National Standard Institute)

УГО по ANSI	УГО по ГОСТ	Функциональное назначение
		«2И» (2-Input AND Gate)
		«3И» (3-Input AND Gate)
		«2И-НЕ» (2-Input NAND Gate)
		«2ИЛИ» (2-Input OR Gate)
		«2ИЛИ-НЕ» (2-Input NOR Gate)
		«3ИЛИ-НЕ» (3-Input NOR Gate)
		«НЕ» (NOT Gate)
		«исключающее ИЛИ» (2-Input XOR Gate)
		«исключающее ИЛИ-НЕ» (2-Input XNOR Gate)
		6-входовый сумматор по модулю 2 (6-Input XOR Gate)

Лабораторная работа № 3.

Исследование триггеров RS-, RST-, D- и JK-типов.

Литература:

1. А.А. Коваленко, М.Д. Петропавловский. Основы микроэлектроники: Учебное пособие. ‑ Барнаул: Изд‑во БГПУ, 2005. – 222 с.

2. В.С. Ямпольский. Основы автоматики и электронно-вычислительной техники. – М.: Просвещение. – 1991. – 223 с.

4. Руководство к выполнению виртуальных лабораторных работ с помощью программы моделирования электрических схем Electronic Workbench 5.12

Ход работы:

Включить терминал, подключиться к локальной сети и загрузить сайт «Основы микроэлектроники». Выбрать номер лабораторной работы, зарегистрироваться и приступить к выполнению заданий согласно появляющимся на экране инструкциям и данному описанию
Исследуйте работу асинхронного RS-триггера с инверсными входами на логических элементах 2И-НЕ.

Пользуясь программой Electronics Workbench, соберите схему триггера, приведенную на рисунке.

Для управления триггером используйте переключатели (Switch), подсоединяющие входы к клемме плюса питания (V cc) либо к клемме земли (Ground), а для индикации состояния входов и выходов – пробники (соответственно Green Probe и Red Probe).

Исследование провести в следующем порядке:

Таблица состояний триггера

№ комбинации			Операция
			Установка выхода

В сокращенном варианте таблицу состояний RS-триггера с инверсными входами принято изображать в следующем виде (при данной комбинации входных сигналов выход Q устанавливается в указанное состояние независимо от его предыдущего состояния):

Здесьсимвол (t+1) означает состояние триггера «в следующем такте», т.е. после установления выхода в соответствии со входными сигналами

Примечание: (в этой и других подобных таблицах приняты следующие обозначения ):

Исследуйте работу асинхронного RS-триггера с прямыми входами на логических элементах 2И-НЕ.

Для этого добавьте к собранной схеме еще 2 элемента 2И-НЕ, чтобы получить триггер с прямыми входами (см. рисунок), и на основе эксперимента в среде Electronics Workbench по аналогии с предыдущим заданием заполните таблицу его состояний

Исследуйте работу синхронизируемого RS-триггера (RST-триггера).

Для этого откройте схему RST-триггера (файл E:\MeLabs\Lab3\rst_trig_analis.EWB), ко входам которого подключен генератор слова (Word Generator), а все входные и выходные сигналы контролируются логическим анализатором (Logic Analyzer). Разверните панель генератора слова и установите для него режим пошаговой работы (Step). Введите в память генератора 16-ричные коды слов Вашего варианта. Разверните панель логического анализатора. Включите моделирование и, последовательно нажимая ЛКМ на находящуюся на панели генератора слова клавишу «Step», сгенерируйте всю тестовую последовательность. Зарисуйте в тетрадь полученные логическим анализатором диаграммы. Заполните потактовую таблицу состояний триггера.

Таблица состояний триггера

Информац. сигнал	Номера тактов

C
R
S
Q

Исследуйте работу статического и динамического D‑триггеров. Откройте схему параллельно включенных статического и динамического D‑триггеров (файл E:\MeLabs\Lab3\D_trig.EWB), ко входам которых подключен генератор слова (Word Generator), а все входные и выходные сигналы контролируются пробниками.

Разверните панель генератора слова. Из таблицы состояний выпишите по тактам двоичные коды слов и, преобразовав их в 16-ные, введите в память генератора слов. Включите моделирование и, последовательно нажимая ЛКМ на находящуюся на панели генератора слова клавишу «Step», сгенерируйте всю тестовую последовательность. Заполните потактовую таблицу состояний триггеров.

Таблица состояний триггеров

Информац. сигнал	Номера тактов

C
D
Q стат.
Q дин.

Откройте схему JK-триггера с динамическим управлением (jk_триг_анализ).

Разверните панель генератора слова и установите для него режим пошаговой работы (Step). Введите в память генератора 16-ричные коды слов Вашего варианта. Включите моделирование и, последовательно нажимая ЛКМ на находящуюся на панели генератора слова клавишу «Step», сгенерируйте всю тестовую последовательность. Зарисуйте в тетрадь полученные логическим анализатором диаграммы. Заполните потактовую таблицу состояний триггера.

Таблица состояний триггера

Информац. сигнал

Номера тактов

Pre

Clr

Замечание: В отличие от ранее исследовавшихся схем в этом задании исследуется работа конкретной микросхемы 7476 (Dual JK MS‑SLV FF (pre, clr)), в связи с чем при моделировании необходимо к соответствующим выводам подключить источник питания Vcc и заземление GND. В задании задействованы выводы только одного из JK-триггеров (первого). Входы Pre (предустановка) и Clr (очистка) играют роль установочных входов S и R соответственно.

Выберите из библиотеки Digital интегральную схему JK-триггера 7472 (And‑gated JK MS‑SLV FF (pre, clr)) и соберите на ней схему счетного триггера. Обратите внимание, что на информационных входах используется логика 3И. Вывод NC микросхемы – свободный (не используется).

Подайте на вход триггера однополярные амплитудой 5 В прямоугольные импульсы от функционального генератора требуемой частоты, получите осциллограммы входного и выходного сигналов. Продемонстрируйте их преподавателю.

Электрическая схема, предназначенная для выполнения какой-либо логической операции с входными данными, называется логическим элементом. Входные данные представляются здесь в виде напряжений различных уровней, и результат логической операции на выходе - также получается в виде напряжения определенного уровня.

Операнды в данном случае подаются - на вход логического элемента поступают сигналы в форме напряжения высокого или низкого уровня, которые и служат по сути входными данными. Так, напряжение высокого уровня - это логическая единица 1 - обозначает истинное значение операнда, а напряжение низкого уровня 0 - значение ложное. 1 - ИСТИНА, 0 - ЛОЖЬ.

Логический элемент - элемент, осуществляющий определенные логические зависимость между входными и выходными сигналами. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления. Для всех видов логических элементов, независимо от их физической природы, характерны дискретные значения входных и выходных сигналов.

Логические элементы имеют один или несколько входов и один или два (обычно инверсных друг другу) выхода. Значения «нулей» и «единиц» выходных сигналов логических элементов определяются логической функцией, которую выполняет элемент, и значениями «нулей» и «единиц» входных сигналов, играющих роль независимых переменных. Существуют элементарные логические функции, из которых можно составить любую сложную логическую функцию.

В зависимости от устройства схемы элемента, от ее электрических параметров, логические уровни (высокие и низкие уровни напряжения) входа и выхода имеют одинаковые значения для высокого и низкого (истинного и ложного) состояний.

Традиционно логические элементы выпускаются в виде специальных радиодеталей - интегральных микросхем. Логические операции, такие как конъюнкция, дизъюнкция, отрицание и сложение по модулю (И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ) - являются основными операциями, выполняемыми на логических элементах основных типов. Далее рассмотрим каждый из этих типов логических элементов более внимательно.

Логический элемент «И» - конъюнкция, логическое умножение, AND

«И» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию конъюнкции или логического умножения. Данный элемент может иметь от 2 до 8 (наиболее распространены в производстве элементы «И» с 2, 3, 4 и 8 входами) входов и один выход.

Условные обозначения логических элементов «И» с разным количеством входов приведены на рисунке. В тексте логический элемент «И» с тем или иным числом входов обозначается как «2И», «4И» и т. д. - элемент «И» с двумя входами, с четырьмя входами и т. д.

Таблица истинности для элемента 2И показывает, что на выходе элемента будет логическая единица лишь в том случае, если логические единицы будут одновременно на первом входе И на втором входе. В остальных трех возможных случаях на выходе будет ноль.

На западных схемах значок элемента «И» имеет прямую черту на входе и закругление на выходе. На отечественных схемах - прямоугольник с символом «&».

Логический элемент «ИЛИ» - дизъюнкция, логическое сложение, OR

«ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию дизъюнкции или логического сложения. Он так же как и элемент «И» выпускается с двумя, тремя, четырьмя и т. д. входами и с одним выходом. Условные обозначения логических элементов «ИЛИ» с различным количеством входов показаны на рисунке. Обозначаются данные элементы так: 2ИЛИ, 3ИЛИ, 4ИЛИ и т. д.

Таблица истинности для элемента «2ИЛИ» показывает, что для появления на выходе логической единицы, достаточно чтобы логическая единица была на первом входе ИЛИ на втором входе. Если логические единицы будут сразу на двух входах, на выходе также будет единица.

На западных схемах значок элемента «ИЛИ» имеет закругление на входе и закругление с заострением на выходе. На отечественных схемах - прямоугольник с символом «1».

Логический элемент «НЕ» - отрицание, инвертор, NOT

«НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического отрицания. Данный элемент, имеющий один выход и только один вход, называют еще инвертором, поскольку он на самом деле инвертирует (обращает) входной сигнал. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «НЕ».

Таблица истинности для инвертора показывает, что высокий потенциал на входе даёт низкий потенциал на выходе и наоборот.

На западных схемах значок элемента «НЕ» имеет форму треугольника с кружочком на выходе. На отечественных схемах - прямоугольник с символом «1», с кружком на выходе.

Логический элемент «И-НЕ» - конъюнкция (логическое умножение) с отрицанием, NAND

«И-НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход. Другими словами, это в принципе элемент «И», дополненный элементом «НЕ». На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2И-НЕ».

Таблица истинности для элемента «И-НЕ» противоположна таблице для элемента «И». Вместо трех нулей и единицы - три единицы и ноль. Элемент «И-НЕ» называют еще «элемент Шеффера» в честь математика Генри Мориса Шеффера, впервые отметившего значимость этой в 1913 году. Обозначается как «И», только с кружочком на выходе.

Логический элемент «ИЛИ-НЕ» - дизъюнкция (логическое сложение) с отрицанием, NOR

«ИЛИ-НЕ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения, и затем операцию логического отрицания, результат подается на выход. Иначе говоря, это элемент «ИЛИ», дополненный элементом «НЕ» - инвертором. На рисунке приведено условное обозначение логического элемента «2ИЛИ-НЕ».

Таблица истинности для элемента «ИЛИ-НЕ» противоположна таблице для элемента «ИЛИ». Высокий потенциал на выходе получается лишь в одном случае - на оба входа подаются одновременно низкие потенциалы. Обозначается как «ИЛИ», только с кружочком на выходе, обозначающим инверсию.

Логический элемент «исключающее ИЛИ» - сложение по модулю 2, XOR

«исключающее ИЛИ» - логический элемент, выполняющий над входными данными операцию логического сложения по модулю 2, имеет два входа и один выход. Часто данные элементы применяют в схемах контроля. На рисунке приведено условное обозначение данного элемента.

Изображение в западных схемах - как у «ИЛИ» с дополнительной изогнутой полоской на стороне входа, в отечественной - как «ИЛИ», только вместо «1» будет написано «=1».

Этот логический элемент еще называют «неравнозначность». Высокий уровень напряжения будет на выходе лишь тогда, когда сигналы на входе не равны (на одном единица, на другом ноль или на одном ноль, а на другом единица) если даже на входе будут одновременно две единицы, на выходе будет ноль - в этом отличие от «ИЛИ». Данные элементы логики широко применяются в сумматорах.

Лабораторная работа №2

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование функционирования типовых логических элементов; реализация основных и других функций на базовых элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ; применение логических элементов как коммутаторов сигналов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Микросхемы типа ЛАвыполняют логическую функцию mИ - НЕ, ИС типа ЛЕ выполняют логическую функцию mИЛИ - НЕ (m - число входов), а ИС типа ЛН выполняют логическую функцию НЕ. В одном корпусе микросхемы ЛАЗ содержится четыре логических элемента 2И-НЕ. В одном корпусе микросхемы ЛЕ1 содержится четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ. В одном корпусе микросхемы ЛН1 содержится шесть логических элементов НЕ (инверторов). Микросхема ЛН1 имеет двухтактный выходной каскад. Условные обозначения и цоколевки микросхем ЛАЗ, ЛЕ1 и ЛН1 приведены на рис. 1.

Рисунок 1

Логические элементы называют еще вентилями (коммутаторами сигналов). Это объясняется тем, что они могут задерживать или пропускать цифровую информацию по принципу обычного вентиля, предназначенного для управления потоком жидкости. Условное обозначение вентиля 2И с сигналами на его входах и выходе и временные диаграммы его работы в качестве коммутатора приведены на рис. 2.

Рисунок 2

Если на верхний вход логического элемента 2И подать прямоугольные импульсы с генератора, а на нижний вход - уровень логической единицы, то импульсы с генератора будут проходить на выход логического элемента 2И (рис. 2). Это следует из закона функционирования элемента И. Если же логическую единицу на нижнем входе заменить логическим нулем, то импульсы с верхнего входа на выход логического элемента 2И проходить не будут, так как хотя бы один нуль на входе этого элемента дает нуль на выходе.

3. ОБОРУДОВАНИЕ

В качестве измерительной аппаратуры используются стенд ЦС-02.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

В работе используйте микросхемы K155JIA3, К155ЛЕ1, К155ЛН1.

1. Исследование функционирования логических элементов 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ и НЕ

1.1. Зарисуйте схемы для исследования логических элементов (см. рис. 3 а - в). Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать, и проставьте их номера на схеме.

1.2. Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.

1.3. Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выхода исследуемого логического элемента светодиодным индикатором или осциллографом. Заполните таблицы истинности элементов (табл. 1).

Таблица 1

А	В	ЛА3	ЛЕ1	ЛН1




Функция

1.4. Убедитесь в правильности функционирования логических элементов.

Рисунок 3

2. Реализация основных функций на базовых элементах И-НЕ

2.1. Зарисуйте схемы, показанные на рис. 4,а, 4,в. Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать, и проставьте их номера на схеме.

Рисунок 4

2.2.Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.

2.3.Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выходов всех логических элементов схем светодиодными индикаторами или осциллографом. Составьте таблицы истинности исследуемых схем.

2.4.Убедитесь в правильности полученных результатов, теоретически проанализировав работу исследуемых схем.

2.5.Используя полученные таблицы истинности, определите вид функции, которую выполняет каждая схема и запишите название функции в графу «вид функции» таблиц.

3. Реализация основных функций на базовых элементах ИЛИ-НЕ

3.1. Зарисуйте схемы, показанные на рис.5, а, б, в. Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать и проставьте их номера на схеме.

Рисунок 5.

3.2. Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.

3.3. Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выходов всех логических элементов схем светодиодными индикаторами или осциллографом. Заполните таблицы истинности исследуемых схем, аналогичные табл. 3...5.

3.4. Убедитесь в правильности полученных результатов, теоретически проанализировав работу исследуемых схем.

3.5. Используя таблицы истинности, определите вид функции, которую выполняет каждая схема, и запишите название функции в графу «вид функции» таблиц.

4. Реализация функций различных типов на базовых элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ

4.1. Зарисуйте схемы, показанные на рис.6, а, б. Проставьте на них номера выводов выбранных элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать, и проставьте их номера на схеме.

Рисунок 6

4.2. Соберите поочередно схемы, показанные на этих рисунках.

4.3. Изменяя комбинации входных сигналов, контролируйте состояние выходов всех логических элементов схем светодиодными индикаторами или осциллографом. Заполните таблицы истинности исследуемых схем.

4.4. Убедитесь в правильности полученных результатов, теоретически проанализировав работу исследуемых схем.

5. Применение логических элементов в качестве коммутаторов сигналов

5.1. Зарисуйте схемы для исследования логических элементов (см. рис.7, а - г). Проставьте на них номера выводов выбранных для исследования логических элементов микросхем. Выберите источники ЛУ, которые Вы будете использовать и проставьте их номера на схеме.

5.2. Соберите поочередно схемы, показанные на рис.7, а, в, если для контроля входных и выходных сигналов имеются только светодиодные индикаторы. При наличии осциллографа соберите схемы, показанные на рис.7, в, г.

5.3. Наблюдайте форму сигнала на входе А логических элементов и выходного сигнала С сначала при наличии логической единицы на входе В, а затем - при наличии логического нуля. Для этого подключите к выходу схем (рис.7, а, в) светодиодный индикатор. При исследовании схем (рис.7, в, г) вход первого канала осциллографа подключите ко входу А логического элемента, а вход второго канала - к выходу логического элемента. Синхронизируйте развертку осциллографа сигналом первого канала. Зарисуйте временные диаграммы (осциллограммы) сигналов на входах и выходе исследуемых элементов для обоих случаев (рис. 8 а, б).

5.4. Убедитесь в правильности функционирования логических элементов, как коммутаторов сигналов, теоретически проанализировав их работу.