(ИС) для формирования управляющих сигналов.

Казанский государственный технический университет
им. А.Н. Туполева.
Кафедра « Конструирования и производства
микроэлектронной аппаратуры.»
Руководство к лабораторным работам .
Исследование логических П/П интегральных схем (ИС)
для формирования управляющих сигналов.
Дисциплина “Микросхемотехника цифровая”.
Специальность 2008.
Дисциплина “Схемотехника”.
Специальность 2013
Разработал к.т.н. Пьянков Б.Л.
Рецензент доц. А.А.Якутенков.
Казань 2010 г.
2
Лабораторная работа №1
Исследование характеристики логической ИС.
Собрать схему согласно рисунку 1.
Рис.1
Цель проведения лабораторной работы.
1.Снять зависимость выходного напряжения логической ИС 561ЛА7 от изменения
напряжения на входе. Для этого использовать электрическую схему, которая имеется на
лабораторном стенде.
На вход подать напряжение V1, вращением ручки резистора изменять напряжение
на входе через 0,5 вольта, для каждой точки снимать напряжение на выходе. Точно
определить входное напряжение слева и справа, при котором происходит скачек
напряжения на выходе. Выходное напряжение контролировать осциллографом. Все
данные свести в одну таблицу и построить зависимость Uвых. от Uвх. На графике
выделить зону логических нулей и единиц по входному и выходному напряжениям и
оценить работоспособность логической схемы. Определить коэффициент усиления
логической схемы в зоне изменения скачка выходного напряжения.
K
U вых
U вх .
2.Определение времени задержки ИС.
Для определения времени срабатывания логической схемы возможно прямое
измерение задержки выходного сигнала относительно входного, но для
бысродействующей схемы логики 561ЛА7 нужен быстродействующий осциллограф.
Однако для измерения времени задержки можно воспользоваться осциллографом
среднего быстродействия, если последовательно включить несколько логических ИС и
определить их суммарную задержку. Время задержки одной схемы получить делением
общего времени задержки на количество последовательно включенных схем.
Для реализации такого измерения можно использовать следующую схему.
2
3
Соединить последовательно 4 элемента ИС 561ЛА7
На вход подать сигнал с генератора 1 выходной сигнал подать на вертикальный
вход осциллографа сигнал с генератора 2 подать на синхронизирующий вход. По
экрану осциллографа определить задержку выходного сигнала относительно
входного. Значение измеренной задержки разделить на 4. Это и будет средняя
задержка одной схемы 2И-НЕ.
На лабораторном стенде собрать схему.
На вход подать сигнал с генератора 1 выходной сигнал подать на вертикальный
вход осциллографа сигнал с генератора 2 подать на синронизирующий вход. По экрану
осциллографа определить длительность выходного импульса, которая равна времени
задержки в сумме трех первых логических элементов.
Количество входных инверторов, соединенных последовательно должно быть
нечетным, а длительность выходного импульса =i*зад., где i-количество инверторов,
зад-время задержки сигнала в одном инверторе.
Оформить отчет.
3
4
Контрольные вопросы.
1.Что такое уровень 0 и 1 в схеме КМОП логики 561ЛА7 ?
2.Что такое время задержки, от чего оно зависит ?
3.Что такое коэффициент усиления для логической схемы ?
4.Что такое коэффициент разветвления по выходу?
5.Зависимость быстродействия от тока потребления ИС?
6. Зависимость тока потребления от частоты срабатывания?
4
5
Лабораторная работа №2
Исследование программируемого делителя частоты на основе счетчиков типа
564ИЕ11.
Триггерные устройства.
Для построения более сложных логических схем предназначенных обрабатывать
логические функции с большим числом переменных возникает необходимость записывать
выражения содержащие многобитовые выражения, пересылать их по разным адресам и
вести счет командам и числам. Если для этих целей использовать элементарные триггеры,
то возникают трудности схемного характера. Кроме этого счетные триггеры
и J-K
триггеры должны иметь в своем составе схемы временной задержки, трудно реализуемые
в полупроводниковом интегральном исполнении.
Поэтому в П/П схемотехнике часто используются не элементарные триггеры, а
триггерные устройства содержащие несколько элементарных триггеров, которые
соединены внутри между собой и в принципе могут одновременно хранить несколько бит
информации. Использование триггерных устройств вместо триггеров значительно
упрощает схемы соединений и уменьшает время записи и передачи
логической
информации.
На триггерных устройствах не содержащих элементов временной задержки легко
строятся счетные триггеры (Т-триггеры).
Триггерные устройства (Т У) делятся на два вида.
1.Т У –универсальные которые без дополнительных схемных изменений могут
применяться как счетные, так и для построения на них сдвиговых регистров.
2.Т У- не универсальные которые предназначены только для одного применения.
Т У по способу действия могут быть многотактного действия и однотактные.
Наиболее широкое распространение нашли триггерные усройства содержащие два
триггера (M-S триггерные устройства) один триггер основной (Master) другой
вспомогательный (Slave).
Т У по функциональному назначению имеют такую же классификацию как и простые
триггеры.
Счетчики импульсов и делители частоты на основе триггерных устройств.
Счетчики бывают параллельные, последовательные и с последовательным переносом.
Каждому триггеру счетчика присваивается значение 2 в i-той степени, т,е. в счетчике
имеется n разрядов от 20 до 2n-1 . Максимальное число которое можно записать или
насчитать в таком счетчике Nмах= 2n-1.
Счетчик должен состоять из n триггеров типа Т (счетных триггеров), при приходе
очередного тактового (счетного) импульса в режиме сложения необходимо логически
организовать работу так, чтобы i-тый триггер изменял свое состояние на
противоположное при условии нахождения всех младших по отношению к нему
триггеров в состоянии 1.
В режиме вычитания необходимо логически организовать работу так, чтобы i-тый
триггер изменял свое состояние на противоположное при условии нахождения всех
младших по отношению к нему триггеров в состоянии 0.
5
6
Параллельный или синхронный двоичный счетчик.
Временная диаграмма работы двоичного параллельного (синхронного) счетчика.
Последовательный двоичный счетчик.
6
7
Параллельно-последовательный двоичный счетчик.
(Счетчик с последовательным переносом).
Синхронный двоичный реверсивный счетчик .
Реверсивный двоичный счетчик работает в режиме сложения если на шину «+»
подан логический уровень 1, а на шину (-) подан логический уровень 0.
Реверсивный двоичный счетчик работает в режиме вычитания если на шину «+»
подан логический уровень 0, а на шину (-) подан логический уровень 1.
7
8
В качестве исследуемого объекта выбран четырех-разрядный
реверсивный
двоичный счетчик 564ИЕ11 с предварительной установкой числа и переносом.
Два 4х разрядных счетчика объединены на плате в восьми-разрядный счетчик.
Входы D0—D7 предназначены для предварительной записи числа в счетчик по
команде 1 на входы РЕ. При наличии 1 на входе РЕ счет прекращается.
Вход +/- управляет режимом работы счетчика, 1-сложение, 0-вычитание.
Тактовые импульсы подаются на вход Т.
На выходе переноса появляется уровень 0 при заполненном счетчике в режиме
сложения, в режиме вычитания при нулевом значении счетчика .
При неподключенных внешних входах D0-D7 и +\- на них через резисторы подан
уровень 1, для подачи на эти входы 0 нужно их соединять с общим проводом внешними
перемычками.
Задачи исследования.
На установке для исследования собрать схему, подключить питание, на вход Т
подать импульсы с генератора 1. Осциллограф включить в ждущем режиме, подать
внешнюю синхронизацию от генератора 2, установить амплитуду генератора 1 5вольт.
1.Определить время задержки срабатывания первого триггера Q0 относительно
переднего фронта тактового импульса и время задержки переднего фронта импульса Р
относительно переднего фронта тактового (счетного импульса) импульса.
2. Рассчитать минимальное значение длительности тактовых импульсов и периода
их следования.
3.Составить временную диаграмму делителя частоты на Ni по заданию
преподавателя в режиме сложения работы счетчиков, рассчитать число заноса в счетчик
8
9
для заданного коэффициента деления. Собрать схему и экспериментально снять форму
выходных сигналов на выходе Р. Осциллограф включить в ждущем режиме, подать
внешнюю синхронизацию от выхода Р. Определить отношение периода следования
импульсов Р к их длительности, сравнить с теоретическим
4.Составить временную диаграмму делителя частоты на Ni по заданию
преподавателя в режиме вычитания работы счетчиков, рассчитать число заноса в счетчик
для заданного коэффициента деления. Собрать схему и экспериментально снять форму
выходных сигналов на выходе Р. Осциллограф включить в ждущем режиме, подать
внешнюю синхронизацию от выхода Р. Определить отношение периода следования
импульсов Р к их длительности, сравнить с теоретическим.
5.Теоретически рассчитать значение скважности выходных импульсов на выходе Р
( отношение периода следования к длительности) для заданного значения коэффициента
деления Ni.
Контрольные вопросы.
1.Как определить максимальную частоту следования тактовых импульсов для
счетчика?
2.Как измерить время задержки выходного импульса Р при помощи осциллографа?
3.Как изменить работу счетчика 564ИЕ11 со сложения на вычитание и наоборот?
4. Сформулировать правило работы триггеров счетчика в режиме сложения?
5. Сформулировать правило работы триггеров счетчика в режиме вычитания?
6. При каких условиях появляется импульс переноса Р в режимах сложения и
вычитания
9
10
Лабораторная работа №3
Генераторы импульсов на П/П интегральных схемах (ИС).
Полупроводниковые ИС кроме основного назначения- обработки логических
сигналов, используются и для создания на их основе вспомогательных
логических
устройств. Таковыми устройствами являются различные генераторы импульсов,
обеспечивающие работу разных цифровых (дискретных) систем, различные согласующие
элементы между механическими и электромеханическими контактами и логическими
схемами. Генераторы импульсов могут быть сделаны и на других элементах, например на
транзисторах и дискретных элементах, но если они предназначены взаимодействовать с
логическими устройствами, содержащими значительное число логических ИС, становится
целесообразным выполнять вспомогательные устройства на основе этих же ИС.
Основными базовыми элементами цифровой логики являются инверторы, схемы
типа И –НЕ, ИЛИ-НЕ, которые выполняются по разным принципиальным схемам и
разным технологиям. При построении различных вспомогательных устройств на основе
логических ИС используются их усилительные свойства, если входное напряжение
находится в потенциальной зоне между логическими нулем и единицей, при этом
коэффициент усиления отрицателен и составляет несколько десятков. Вывод ИС в режим
усилителя производится как правило подачей отрицательной обратной связи с выхода на
вход и в этом режиме используются для построения генератора или другого устройства.
Ниже приведены схемы генераторов импульсных сигналов на основе П/П ИС,
выходные сигналы которых представляют логические сигналы (логические уровни)
идущие с определенной частотой.
10
11
Это четыре примера распространенных генераторов на логических ИС.
Генераторы Г1 и Г2 это RC—генераторы на основе полупроводниковых лог. ИС.
Генератор Г3 генератор на ИС с кварцевой стабилизацией.
Генератор Г4 это LC—генератор на логических ИС.
Логические ИС в этих генераторах выводятся в режим активного усиления за счет
подачи отрицательной обратной связи по постоянному току через активное
сопротивление или через индуктивность L в генераторе Г-4.
Выходные сигналы генераторов представляют собой чередование логических нулей
и единиц, частота следования определяется номиналами включенных дискретных
элементов. В генераторе Г-1 период следования импульсов приблизительно равен
постоянной времени
R1*C1,
в генераторе Г-2 период
следования импульсов
приблизительно равен постоянной времени R2*C2, в генераторе Г-4 частота следования
импульсов определяется номиналами индуктивности L и конденсаторов С3 и С4. В
генераторе Г-3, где в цепь положительной обратной связи включен кварцевый резонатор,
частота выходного сигнала определяется кварцем.
Цель работы исследование работы генераторов построенных на П/П ИС.
Основными выходными параметрами генератора являются форма и частота
следования, генерируемых импульсов.
Лабораторный макет состоит из набора
логических схем, элементов, переключателей, изменяемого напряжения питания.
1.На лабораторном стенде собрать схему.
Элементы резистор и конденсатор выбрать на стенде по заданию преподавателя.
1.К выходу генератора подключить осциллограф.
2.Определить период следования импульсов и длительность.
3. Зарисовать формы напряжений на входах и выходах ИС.
4.Изменяя напряжение питания схемы от 3 до 6,5 вольт через 0,2 вольта определить
изменение периода и длительности выходных импульсов.
5. Определить частоту генератора.
6. Построить зависимость частоты от напряжения питания.
7. Определить отношение изменения частоты генератора
к изменению
напряжения питания при Uп =5в.
11
12
2.На лабораторном стенде собрать схему.
1.К выходу генератора подключить осциллограф. Уменьшая управляющее
напряжение от максимального до U начала генерации.
2.Определить период следования импульсов и длительность.
3. Зарисовать формы напряжений на входах и выходах ИС.
4.Изменяя напряжение управления схемы от Uмин до Uмакс вольт через 0,2
вольта определить изменение периода и длительности выходных импульсов.
5. Определить частоты генератора. F= 1/T
6. Построить зависимость частоты от управляющего напряжения.
7. Определить отношение изменения частоты генератора
к изменению
управляющего напряжения при Uупр =5в.
3.На лабораторном стенде собрать схему.
Элементы
конденсаторы и индуктивность выбрать на стенде по заданию
преподавателя.
1.К выходу генератора подключить осциллограф.
2.Определить период следования импульсов и длительность.
3. Зарисовать формы напряжений на входах и выходах ИС.
3.Изменяя напряжение питания схемы от 3 до 6,5 вольт через 0,2 вольта определить
изменение периода и выходных импульсов.
4. Определить частоту генератора. F=1/T
5. Построить зависимость частоты от напряжения питания.
6. Определить отношение изменения частоты генератора
к изменению
напряжения питания при Uп =5в.
Оформить отчет.
Контрольные вопросы.
1.Для чего в схемах генераторов на ИС выход соединяется со входом?
2.Чем определяется период выходных импульсов и их длительность?
3.Нарисовать передаточную характеристику логической ИС?
4. Почему параметры выходных импульсов зависят от напряжения питания ИС?
12
13
Лабораторная работа 4
Исследование цифро-аналогового и аналого-цифрового
преобразователей.
Цель работы: Ознакомление с принципом работы ЦАП и АЦП
Краткие теоретические сведения.
При создании устройств для обработки информации при помощи цифровых
вычислительных устройств необходимо аналоговые сигналы и величины представлять в
виде цифровых эквивалентов, для этих целей используют преобразователи аналог-цифра,
которые для краткости называют АЦП.
Если после обработки информации цифровой результат нужно представить в
аналоговом виде число превращается в аналоговую величину при помощи
преобразователя цифра- аналог, которые для краткости называют ЦАП при этом
аналоговая величина Ax  N x  Aэт .
В данной лабораторной работе рассматриваются АЦП и ЦАП, в которых аналоговой
величиной является напряжение электрического тока, которые можно называть как
преобразователи напряжение-код (ПНК) и преобразователи код-напряжение (ПКН).
Наибольшее распространение получили три метода преобразования напряжения в
цифровой двоичный или в двоично-десятичный коды.
1. Метод последовательного уравновешивания (счета). Здесь входное напряжение
уравновешивается суммой Nх одинаковых Uэт иногда называемых квантами. Создается
ступенчато-изменяющееся напряжение Ui=Ni*Uэт, когда Ui при некотором Nх
превышает Uвх. на величину равную или меньшую Uэт. Считается , что Nх является
цифровым эквивалентом Uвх.. То есть Uвх. содержит Nх квантов Uэт., или
Uвх.=Nх*Uэт. Для выполнения этих действий необходимо устройство формирования
ступенчато-растущего напряжения, счетчика ступенек и одно устройство сравнения
преобразуемого напряжения с суммой эталонных. Время преобразования определяется
максимальным числом Nх max. тактов. При n разрядах двоичного кода.
N x max  2 n  1
График изменения напряжения при последовательном счете показан на рис. 1.
Рис. 1
13
14
2. Метод поразрядного уравновешивания (кодирования). В этом методе входное
преобразуемое напряжение Uх последовательно сравнивается с эталонными
напряжениями U i  U эт  2 i , начиная со старшего разряда двоичного кода по порядку.
При каждом этапе сравнения значение Ui остается если набранная сумма эталонных
напряжений меньше Ux, иначе значение последнего набранного разряда убирается, затем
включается следующий разряд, таким образом по очереди подключаются все разряды от
n до 0. Значение Nx считывается в двоичном коде по включенным разрядам, которым
придается значение 1, остальным (выключенным) придается значения 0. При таком
методе преобразования используется
одна схема сравнения и преобразование
происходит за n шагов (тактов). График изменения напряжения по методу поразрядного
кодирования показан на рис. 2.
Рис. 2
3. Метод считывания, при котором используется набор эталонов имеющих выходы
напряжений через Uэт. от 1 до ( 2n  1 ), где n разрядность двоичного кода. Каждый выход
набора эталонного напряжения подается на свою схему сравнения, а вторые входы схем
сравнения соединены с входным напряжением Ux. С выходов схем сравнения снимается
параллельный код вида 1111111000000 ,который логической схемой дешифратора
преобразуется в позиционный двоичный код и на время преобразования требуется один
такт.
Сравнение рассмотренных методов показывает, что достоинством метода
последовательного счета являются простота аппаратурной реализации, поскольку
требуется один эталон и одна схема сравнения, недостаток этого метода большое
количество шагов сравнения,т.е. большое время преобразования.
Метод параллельного считывания обеспечивает быстрое преобразование, но требует
сложного многовыводного эталона напряжений и большого количества схем сравнения,
т.е. аппаратно достаточно сложен.
Метод поразрядного кодирования обладает относительно высоким быстродействием,
при приемлимой сложности.
Принципы действия преобразователей код-напряжение.
Для преобразования кода Nх в напряжение необходимо выполнить операцию
сложения Nx эталонных напряжений Uэт., где под Uэт. понимается напряжение
например1,10,или 100 милливольт. На выходе ПКН имеем Uвых.= Nx* Uэт..
Для формирования единицы эталонного напряжения и получения определенной
суммы таких напряжений чаще всего используется источник стабильного опорного
напряжения , сетка из резистивных делителей и согласующий активный элемент на базе
операционного усилителя. На рисунке 3
приведена схема преобразователя код
напряжение на взвешенных резисторах и сумматоре на основе операционного усилителя.
14
15
Рис. 3
Ток от источника опорного напряжения через резисторы и ключи поступает на
инверсный вход операционного усилителя. Ключи управляются разрядами двоичного
кода подаваемого на вход ПКН, старший разряд правый ключ, младший разряд левый.
Номиналы резисторов справа налево увеличиваются вдвое на один шаг, т.е. ток, в случае
включенных ключей, через каждый левый резистор вдвое меньше, чем через соседний
правый. Таким образом, общий ток всех включенных резисторов через резистор обратной
связи втекает на выход операционного усилителя.
U вых  U оп  R1 ( Z 0  2  Z1  2 2  Z 2  2 3 * Z 3  ...............  2 n * Z n ) / R0
Где Zi нули или единицы двоичного числа.
Выбирая значения: Uоп.; R1; R0; можно добиться , что при наличии только Z0=1,на
выходе будем иметь Uвых.= Uэт. , а при подаче на ключи Nx,
Uвых.= Nx* Uэт..
Для обеспечения заданной точности Uвых. требуется высокая точность от
резисторов при большой разности их номиналов, что на практике реализовать довольно
сложно. Более рациональная схема ПКН приведена на рис. 4.
Рис. 4
В этой схеме для формирования Uэт. и суммирования их согласно входному коду
используется резистивный делитель типа R-2R, набор ключей управляемых входным
двоичным кодом и инвертирующий сумматор на основе операционного усилителя. Если
проанализировать зависимость выходного напряжения Uвых. от опорного напряжения, и
значений величин резисторов, то получим.
U вых  U оп * R1 * N x / 2 R0 * 2 n .
Выбирая значения Uоп., R0 ,R1, можно получить Uвых.= Nx*Uэт.,т.е. получим
требуемое преобразование кода в напряжение. Точность преобразования в этой схеме
15
16
определяется только относительной точностью резисторов, учитывая, что резисторы в
R-2R делителе близки по номиналу, приборная реализация относительно проста.
Целью настоящей лабораторной работы является исследование преобразователя
кода в напряжение (К572ПА1), упрощенная электрическая схема приведена на рис. 5.
Рис. 5
Схема лабораторного макета.
1.При помощи счетчика установить Ni=28=256, т.е. включить только один ключ
старшего разряда, горит светодиод старшего разряда. При помощи резистора установки
опорного напряжения установить на выходе ПКН Uвых =2,56 вольта.
2. При помощи счетчика установить Ni=2i для i=0,1,2,3,4,5,6,7 и соответственно
измерить Ui на выходе ПКН.
3.При помощи счетчика установить Ni=28=256, т.е. включить только один ключ
старшего разряда, горит светодиод старшего разряда. При помощи резистора установки
опорного напряжения установить на выходе ПКН Uвых =-2,56 вольта.
16
17
4. При помощи счетчика установить Ni=2i для i=0,1,2,3,4,5,6,7 и соответственно
измерить Ui на выходе ПКН.
5.Для положительного и отрицательного опорного напряжения определить Uэт.
U эт.i 
Ui
Ni
n
6.Рассчитать
U эт.ср . 
U
1
n
эт .i
для Ni больше 23.
7.Устанавливая Ni=(0—511) через 32, определить Ui на выходе ПКН. Построить
график зависимости U i   ( N i ) , определить погрешность преобразования во всех точках,
построить график зависимости погрешности от Ni.
8.Включить счетчик на работу от генератора с высокой частотой, подключить к
выходу ПКН его вход , а вход синхронизации подключить к выходу старшего разряда
счетчика. По осциллограмме выходного напряжения определить время установления
напряжения на выходе ПКН, т.е. его быстродействие.
Проверка работы преобразователя напряжение-код (ПНК).
1.При помощи счетчика установить Ni=28=256, т.е. включить только один ключ
старшего разряда, горит светодиод старшего разряда. При помощи резистора установки
опорного напряжения установить на выходе ПКН Uвых =+2,56 вольта.
2. Включить генератор.
2.Изменять на входе ПНК Uх от 0 до 5 вольт через 0,2 вольта, для каждого
напряжения нажать кнопку сброс дождаться остановки счета и определить значение Ni
для каждой точки, число на выходе счетчика выводится в двоичном коде.
4.Построить график изменения Ni *Uэт.ср. от Ux .
5.Определить погрешности преобразования ПНК во всех точках и построить
зависимость погрешности от Ux.
6. Оформить отчет.
Контрольные вопросы.
1.Что такое преобразователь напряжении-код (АЦП).
2.Что такое преобразователь код-напряжение (ЦАП).
3. Какие бывают преобразователи напряжение-код
4. Чем определяется время преобразования напряжения в код.
17