Опрацювання результатів дослідів

1. Збудувати за даними досліду пунктів 4, 5 одну зі статичних характеристик логічного елементу U_вих(U_вх) за вказівкою керівника. Визначити з графіка U_вих(U_вх) значення відповідно вхідних та вихідних напруг низького "0" та високого "1" рівнів , , , і записати їх у таблицю:

Логічний елемент	Напруга логічних рівнів сигналів, В
АБО - НІ
І - НІ

2. За даними досліду пункту 6 порівняти отримані експериментально таблиці істинності логічних елементів І–НІ, АБО–НІ з відомими таблицями істинності елементів І, АБО.

Вхідні сигнали		Вихідна функція F
х1	х2	І	І - НІ	АБО	АБО - НІ
0	0
1	0

3. За даними досліду пункту 7 пояснити характер змін часових діаграм на виході ЛЕ, скопійованих з екрана осцилографа при різних вхідних рівнях сигналу х₁=0, х₁=1.

4. Скласти еквівалентну контактну схему заміщення комбінаційного пристрою, розробленого в досліді пункту 8.

5. Скласти висновок за результатами виконаної роботи.

Запитання для самоперевірки

1. Які найпростіші логічні функції виконують логічні елементи?

2. Як записують математичні вирази найпростіших логічних функцій?

3. У якому виді представляють вхідні і вихідні сигнали логічних елементів?

4. Чим відрізняються логічні нулі й одиниці від реальних вхідних і вихідних сигналів високого і низького рівня?

5. Яким чином створюють комбінаційні пристрої?

6. Чим відрізняються статичні характеристики реального й ідеального логічного елемента?

7. Які цифрові пристрої є комбінаційні?

8. Які розрізняють серії логічних ІМС?

9. Як працює дешифратор?

10. Як працює шифратор?

РОБОТА 5

Пристрої цифрової техніки

Мета роботи

1. Вивчити пристрій і принцип роботи генераторів прямокутних імпульсів, тригерів, цифрових лічильників.

2. Досліджувати роботу основних пристроїв цифрової техніки і скласти таблиці станів тригерів, лічильників.

3. Одержати осцилограми часових діаграм роботи тригерів і цифрових лічильників імпульсів.

Основні теоретичні положення

Генератори прямокутних імпульсів або імпульсні генератори – електронні пристрої, що перетворять за допомогою електронних ключів електричну енергію постійного струму в електричні імпульси.

Електронні ключі імпульсних пристроїв виконують на транзисторах, тиристорах, логічних елементах ЛЕ. Робота їх відповідає відкритому чи закритому стану, що відповідає високому "1" та низькому "0" рівням вихідного сигналу.

Мультивібратори – релаксаційні генератори прямокутних імпульсів, що можуть працювати в одному з трьох режимів: очікування, синхронізації та автоколивання.

У режимі очікування - одновібратори чи мультивібратори очікування мають два стани: стійкої рівноваги, у якому вони можуть знаходитися невизначений час, і квазирівноваги. Перехід з першого стану в другий відбувається під дією зовнішнього запускаючого імпульсу, а зворотний перехід - мимовільно по закінченню часу, обумовленого параметрами пристрою.

У режимі синхронізації частота повторення імпульсів мультивібратора визначається частотою зовнішніх синхронізуючих імпульсів.

В автоколивальному режимі мультивібратор переходить з одного стану квазирівноваги в інший без зовнішніх впливів, генеруючи електричні імпульси. Тривалість імпульсів t_і, період їх проходження T і щільність q = T/t_і визначаються перехідними процесами, обумовленими часозадаючими RC-колами.

На рис. 5.1 приведена схема автоколивального мультивібратора на двох елементах 2І, охоплених колами позитивного зворотного зв'язку на елементах R₁C₁ і R₂C₂.

a б

Рис. 5.1. Мультивібратор:

а - схема; б - часова діаграма вихідної напруги.

При заряді і розряді конденсаторів С₁ і С₂ через резистори R₁ і R₂ відбувається стрибкоподібний перехід логічних елементів з одного стану: DD1 – увімкнутий, DD2 – вимкнутий в інший: DD1 – вимкнутий, DD2 – увімкнутий. У результаті на виходах DD1 і DD2 формуються імпульси прямокутної форми тривалістю t_і1, t_і2. Якщо R₁ = R₂ і С₁ = С₂, то тривалість формованих імпульсів буде однаковою, і мультивібратор називають симетричним.

Тригери – електронні перемикаючі пристрої, що володіють двома станами стійкої рівноваги і здатні під дією зовнішнього сигналу стрибкоподібно переходити з одного стану в інший.

Кожному стану тригера відповідають низький "0" чи високий "1" рівні вихідної напруги. Тригери зберігають цю двоїчну інформацію після закінчення дії зовнішніх сигналів, тому їх відносять до цифрових автоматів з пам'яттю. Тригери виконують на напівпровідникових приладах, операційних підсилювачах, логічних елементах або на інтегральних мікросхемах.

Існують асинхронні тригери, у яких перехід з одного стану в другий відбувається в міру надходження сигналу на інформаційні входи, і синхронні тригери - переключення яких відбувається під дією двох сигналів, що надходять на інформаційні і додаткові синхронізуючі чи тактові входи.

Входи тригера прийняті позначати так: S – установний вхід, високим потенціалом якого S = 1 тригер встановлюється в стан Q = 1; R – вхід скидання, високий потенціал якого R = 1, переводить тригер у стан Q = 0; D – інформаційний вхід – змінює стан тригера по закінченню дії синхроімпульсу; С – вхід синхронізації, частота подаваних сигналів на який, визначає частоту перемикання тригера; Т – рахунковий вхід, сигнал Т = 1 на цьому вході переводить тригер у новий стан; J – вхід установки JK‑тригера в стан Q = 1 при J = 1; К – вхід установки JK‑тригера в стан Q = 0 при К = 1. Тригер має два виходи: прямий Q і інверсний , сигнали на яких протилежні за рівнем. Асинхронні тригери з роздільним запуском називають RS-тригерами, D-тригери називають тригерами затримки, тригери з рахунковим входом називають Т-тригерами, а JK – універсальними т ригерами.

Логічне функціонування тригера представляють таблицею переходів, часовою діаграмою або логічним рівнянням, що зв'язують стан входів і виходів тригера до спрацьовування Q^t і після його спрацьо­вуван­ня Q^t+1.

Рис. 5.2. Асинхронний RS-тригер:

а - функціональна схема; б - умовне позначення; в - таблиця переходів; г - часові діаграми.

Асинхронний RS-тригер виконують на елементах АБО-НІ чи І-НІ. У вихідному стані на виході тригера, реалізованого на елементах АБО–НІ (рис. 5.2), має місце сигнал низького рівня Q = 0. При вмиканні на S-вхід сигналу S = 1, а на R-вхід – сигналу R = 0, тригер переходить відповідно до таблиці переходів у стан Q = 1 (рис. 5.2, в). Він збереже цей стан до надходження на входи сигналів S = 0, R = 1, що встановлює на виході сигнал Q = 0 (рис. 5.2, г). Таким чином, RS-тригер перемикається тільки при почерговій подачі сигналів на S- і R-входи сигналів високого рівня і зберігає інформацію про останню з команд, що надійшла.

При низьких рівнях сигналів на R і S входах R = S = 0, тригер не змінює свій стан, а комбінація сигналів S = R = 1 є невизначеною, і це сполучення не використовують. Аналогічно працює RS-тригер, виконаний на елементах І-НІ, (рис. 5.3) з тією різницею, що він повинен мати інверсні входи, тобто встановлюватися в стан Q = 1 при  = 0, і переходити в стан Q = 0 при  = 0. Заборонена к омбінація вхідних сигналів для цієї схеми .

D-тригер має інформаційний вхід D і сінхровхід С. Його реалізують на RS-тригері і схемі управління, складеної з двох логічних елементів 2І-НІ та одного елемента НІ (рис. 5.4).

Рис. 5.3. Асинхронний тригер на логічних елементах 2 І-НІ.

а - функціональна схема; б - умовне позначення.

Я кщо синхроімпульси генератора надходять на вхід С = 1, а на вході D сигнал відсутній D = 0, на входах RS-тригера t –   = 1,  = 0 і тригер переходить у стан Q = 0. Цей стан зберігається до приходу наступного синхроімпульсу, навіть якщо на інформаційний вхід D буде подаватися сигнал D = 1. Тільки при D = 1 і С = 1 на входах установляться сигнали  = 0,  = 1, тригер прийме стан Q = 1 і буде затримувати інформацію, що надійшла на його вхід, на час, рівний періоду синхроімпульсів (рис. 5.4, г). Тому D-тригери називають тригерами затримки.

Рис. 5.4. Синхронний D-тригер:

а - функціональна схема; б - умовне позначення; в - таблиця переходів; г - часові діаграми.

Т-тригери або лічильні тригери мають один інформаційний вхід, надходження на який кожного тактового імпульсу переключає його в інший стан переднім або заднім фронтами імпульсів. У результаті частота вихідних імпульсів зменшується в 2 рази (рис. 5.5, б). Тому Т-тригери – дільники частоти на два або лічильники по модулю два, і їх виконують на основі D- чи JK‑тригерів (рис. 5.5, а).

JK-тригери – універсальні триггери, що мають інформаційні входи J, K і синхровхід С (рис. 5.6, а). Їх використовують при створенні лічильників, регістрів і інших пристроїв, а при визначеному з'єднанні входів, як RS-, D- і Т-тригери. Асинхронна установка JK-тригера в стан Q = 1 чи Q = 0 здійснюється подачею сигналів S = 0 чи R = 0 при будь-яких сигналах на інших входах. При наявності імпульсів на вхід С, JK-тригер працює як синхронний.

Рис. 5.5. Лічильний Т-тригер: а - умовне позначення; б - часові діаграми.

Рис. 5.6. Універсальний JK-тригер: а - умовна позначка; б - таблиця переходів.

Наявність високого рівня сигналу на J-вході J = 1, переводить тригер у стан Q = 1, а сигнал К = 1 переводить його в стан Q = 0. При високому рівні сигналів на обох входах J = K = 1 стан тригера змінюється на протилежний, і він працює як Т-тригер.

Тригери всіх типів виконуються у виді інтегральних мікросхем і застосовуються як перемикаючі елементи чи самостійно входять у склад цифрових пристроїв, таких як лічильники, регістри, суматори, дешифратори та інші елементи.

Лічильники використовують для рахунку імпульсів і виконують на основі тригерів. По призначенню вони можуть бути простими - для підсумовування або віднімання, чи реверсивними - для роботи в обох режимах, а за принципом роботи – асинхронними, якщо інформація передається послідовно по ланцюжку тригерів, починаючи з вхідного, і синхронними, коли вхідні імпульси надходять одночасно на всі тригери.

Основним параметром лічильника є модуль рахунка К, що характеризує найбільше число імпульсів, які можуть бути підраховані лічильником. По модулю лічильники поділяються на двоїчні (К = 2ⁿ, де n - число тригерів), декадні (К = 10), з довільним постійним і з перемінним модулем.

У двоїчного трирозрядного асинхронного сумуючого лічильника, виконаного на трьох JK-тригерах у вихідному стані подається низький рівень сигналу на об'єднані входи R усіх тригерів для очищення лічильника й установки на всіх прямих виходах логічного нуля Q₁ = Q₂ = Q₃ = 0 (рис. 5.7, а).

Рис. 5.7. Двоїчний трирозрядний асинхронний лічильник:

а - функціональна схема; б - умовне позначення; в - таблиця переходів; г - часові діаграми.

Першим лічильним імпульсом тригер Т1 встановлюють в стан Q₁ = 1, а тригери Т2, Т3 залишаються в нульовому стані - Q₂ = Q₃ = 0. Задній фронт другого імпульсу повертає тригер Т1 у вихідний стан Q₁ = 0, а тригер Т2 – у стан Q₂ = 1. Робота лічильника відбувається аналогічно з надходженням кожного наступного вхідного імпульсу і відбивається діаграмою і таблицею переходів (рис. 5.7, в, г). Лічильник на прямих виходах формує лінійно наростаючі кодові набори від 000 до 111, що є двоїчними еквівалентами десяткових чисел від 0 до 7. Восьмий імпульс переводить усі тригери в нульовий стан.

При лічбі імпульсів на інверсних виходах тригерів (рис. 5.7, а) формуються лінійно убутні двоїчні коди від 111 до 000, які використовують для реалізації лічильників віднімання.

У лічильнику, що віднімає, синхронізуючий вхід кожного тригера зв'язаний з інверсним виходом попереднього тригера. Перед початком лічби передбачена попередня установка лічильника на усіх виходах у стан логічної одиниці - 1 1 1.

Для збільшення швидкості лічби застосовують синхронні лічильники, де лічильні імпульси надходять одночасно на входи синхронізації С усіх тригерів.

Дозвіл лічби здійснюється по JK-входах тригерів, а порядок їх перемикання визначають логічні схеми збігу І, І-НІ. За умови J = K = 1 перший імпульс змінить стан тільки першого тригера (Q = 1) і одночасно підготує до переключення другий тригер (J₂=K₂=1) і т. ін.

Реверсивні лічильники дозволяють підсумовувати чи віднімати вхідні імпульси в залежності від станів сигналів на керуючому вході С.

Регістри передають, зберігають та перетворюють електричні сигнали в залежності від їхнього функціонального призначення, і бувають регістрами зсуву і пам'яті.