8. Мультивибратор

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Он является автогенератором и работает без подачи входного сигнала (см. рис. 5.10).

Основой мультивибратора, построенного на ОУ, является компаратор, для которого опорным напряжением U_ОП является напряжение, подаваемое через делитель R2 – R4 на неинвертирующий вход. Величина его определяется из выражения

U_ОП = U_ВЫХ·.

Через интегрирующую цепь R1-C1 выход ОУ подключён к инвертирующему входу, напряжение на котором изменяется по экспоненте.

Пока напряжение на конденсаторе C1 меньше (по модулю) напряжения делителя, выходное напряжение остаётся неизменным. В момент равенства входных напряжений происходит изменение полярности выходного напряжения. Далее процесс повторяется на другой полярности.

ОУ выполняет сразу несколько функций: источника напряжений заряда и разряда конденсатора; компаратора и ключа.

9. Генератор линейно изменяющегося напряжения (глин)

Если на вход генератора подать переменное прямоугольное напряжение, то получим генератор пилообразного напряжения, или, как его называют, ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения (см. рис. 5.11). При этом конденсатор будет периодически перезаряжаться, и на выходе ОУ будем иметь линейно изменяющееся пилообразное напряжение.

Конденсатор С осуществляет отрицательную обратную связь (ООС) по переменному напряжению. Резистор R2 служит для осуществления ООС по постоянному напряжению. Такая ОС необходима для того, чтобы напряжение смещения не вызывало непрерывного заряда конденсатора С, что могло бы привести к ограничению выходного импульса.

Контрольные вопросы и задания

1. Чем отличается операционный усилитель от усилителей других типов?

2. По каким формулам определяют коэффициент усиления инвертирующего и неинвертирующего ОУ?

3. Что такое напряжение смещения ОУ?

4. Как выглядит амплитудная характеристика скомпенсированного усилителя и почему?

5. Что происходит в сумматоре, выполненном на ОУ?

6. Каково назначение компаратора?

7. Что такое интегратор, и каков принцип его работы?

8. Расскажите о назначении ГЛИН. Приведите схему его работы.

9. Что такое автогенераторный режим ГЛИН? Дать объяснение на схеме.

10. Каковы назначение мультивибратора и принцип его работы?

11. Что общего и какие различия имеют компаратор и мультивибратор?

Лабораторная работа №6 исследование логических элементов и цифровых схем

Цель работы: приобретение знаний и умений по исследованию ряда логических и цифровых интегральных микросхем.

Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд предназначен для исследования логических элементов «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», «И», «НЕ», «ИЛИ», триггеров RS, D, JК, счетчиков на D-, JK-триггерах и счетчика в интегральном исполнении К155ИЕ2. Основные узлы стенда и их назначение приведены ниже.

Генератор импульсов вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов с частотами 1; 10; 100 Гц; 1; 10; 100 кГц.

Генератор одиночных импульсов предназначен для формирования сигнала, длительность которого определяется временем нажатия на коммутационную кнопку. Возможно использование как прямого, так и инверсного выходов генератора.

Источник логических уровней используется для формирования электрических сигналов, соответствующих логической единице («1») или уровню логического нуля («0») в двух независимых каналах. Выбор необходимого сигнала производится тумблерами.

Устройство коммутации состоит из переключателей, тумблеров, кнопок и гнезд.

Переключатель, расположенный в центре рабочего поля лицевой панели стенда, предназначен для коммутации выбранной схемы. Переключатели «Логика», «Триггеры», «Счетчик» используются для внутренних соединений входных и выходных цепей исследуемой схемы в стенде. Положение этих переключателей должно соответствовать номеру на накладной плате и номеру загоревшейся лампочки индикации. Тумблер в правом нижнем углу стенда коммутирует цепь питания. Гнезда служат для подключения к цепям исследуемой схемы источников сигналов и приборов.

Исследуемые схемы представлены в виде накладных плат с условными графическими изображениями устройств. Каждая из схем имеет свой номер: №1 – схема, выполняющая функции «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ»; №2 – схема, выполняющая функции «И», «НЕ», «ИЛИ»; №3 – схема RS-триггера; №4 – схема JК- и D-триггеров; №5 – схема четырехразрядного двоично-десятичного счетчика на JК-триггерах; №6 – схема четырехразрядного двоичного счетчика на триггерах D-типа; №7 – схема двоично-десятичного счетчика.

Для расширения технических возможностей стенд снабжен измерительными приборами, светодиодной индикацией входных и выходных сигналов, источником регулируемого входного напряжения. Счетчик импульсов с цифровым индикатором и нагрузка обеспечивают исследование цифровых схем без использования выносных приборов.

Перед началом выполнения каждого пункта задания необходимо установить требуемую накладную плату на лицевую панель стенда и укрепить её двумя винтами. Переключатели «Логика», «Триггеры», «Счетчики» должны находиться в таком положении, когда один из них указывает на номер выбранной панели, а два других установлены в положение «0». После включения тумблера «Сеть» должна загореться лампочка «Сеть» и лампочка, соответствующая номеру исследуемой схемы.

Входные и выходные сигналы анализируются по состояниям светодиодов, при этом единичному сигналу соответствует свечение светодиода, а нулевому – отсутствие свечения.

Задания по выполнению лабораторной работы

1. Исследовать элементы, выполняющие логические операции «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ» (панель №1). Заполнить таблицы истинности (рис. 6.1). По таблицам истинности составить временные диаграммы.

а) б)

Рис. 6.1. Схемы логических элементов с таблицами истинности:

а – «И-НЕ»; б – «ИЛИ-НЕ»

2. Снять и построить графики временных зависимостей и заполнить таблицы истинности для элементов «И», «ИЛИ», «НЕ» (рис. 6.2, 6.3).

а) б)

Рис. 6.2. Схемы логических элементов с таблицами истинности:

а – «И»; б – «ИЛИ»

Рис. 6.3. Схема логического элемента «НЕ» с таблицей истинности

3. Исследовать RS-триггер (панель №3), заполнив таблицу его состояний (рис. 6.4) и составив временную диаграмму.

Рис. 6.4. Схема RS-триггера с таблицей истинности

4. Изучить работу JК-триггера при различных комбинациях сигналов на информационных входах J и К (панель №4). Составить временную диаграмму.

5. Снять и построить временную диаграмму работы D-триггера в счетном режиме (панель №4).

6. Исследовать двоично-десятичный четырехразрядный счетчик, выполненный на JK-триггерах типа К155ТВ1 (панель №5). Построить временную диаграмму работы устройства.

7. Исследовать двоичный четырехразрядный счетчик, выполненный на D-триггерах типа К155ТМ2 (панель №6).

8. Снять и построить временную диаграмму двоично-десятичного счетчика на интегральной микросхеме К155ИЕ2 (панель №7).

Методические указания по выполнению лабораторной работы

К пункту 1.

Для исследования элемента «И-НЕ» подайте с помощью соединительных проводов сигналы с гнезд «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ» на гнезда «ВХОД 1» и «ВХОД 2». Задавая возможные комбинации входных сигналов, записывайте в таблицу истинности состояния светодиода, подключенного к «ВЫХОДУ 1», обозначив за «1» – наличие напряжения на выходе DD1 и свечение светодиода, а за «0» – его отсутствие. По полученным данным построить временные диаграммы.

Исследуйте элемент «ИЛИ-НЕ», соединив гнездо «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ» с гнездами «ВХОД 4» и «ВХОД 5». Проконтролируйте состояние выхода по наличию свечения (или его отсутствию) светодиода, установленного на «ВЫХОДЕ 4». Последовательность исследований та же, что и для элемента «И-НЕ».

К пункту 2.

Исследование логического элемента «И» (панель №2) провести аналогично исследованию элемента «И-НЕ». Исследование логического элемента «ИЛИ» произвести, воспользовавшись методическими указаниями к исследованию логического элемента «ИЛИ-НЕ».

Для исследования логического элемента «НЕ» необходимо соединить с гнездом «ВХОД 3» гнездо «УРОВЕНЬ ЛОГИ-ЧЕСКИЙ». Выходной сигнал фиксируется свечением светодиода, подключённого к «ВЫХОДУ 2».

К пункту 3.

Подайте с помощью соединительных проводов сигналы с гнёзд «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ» на гнёзда «ВХОД 2» и «ВХОД 4» (панель №3). Задавая тумблерами «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ» различные комбинации входных сигналов, фиксируйте свечение светодиодов «ВЫХОД 2» и «ВЫХОД 4», принимая за «1» наличие, а за «0» отсутствие выходного напряжения. Комбинацию «1»-«1» задайте дважды: первый раз после комбинации «0»-«1», а второй раз после комбинации «1»-«0». Убедитесь в том, что комбинация сигналов S = 1; R = 1 может быть названа состоянием памяти (состояние триггера после подачи единичных уровней входных сигналов не меняется и зависит только от предыдущего состояния триггера). Комбинацию U_ВХ2 = U_ВХ4 = 0 называют запрещенной, поскольку после ее исчезновения и перехода к комбинации U_ВХ2 = U_ВХ4 = 1 триггер равновероятно может перейти либо в состояние «0», либо в состояние «1». Убедитесь в этом, произведя следующие соединения: оба входа («ВХОД 2» и «ВХОД 4») объедините соединительным проводом и подключите к одному из гнезд «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ».

Изменяя состояние на входах, следите за состоянием выходов по светодиодам.

К пункту 4.

От источника регулируемого напряжения на гнезда «ВХОД 1» и «ВХОД 5» (R- и S-входы) подайте уровень логической единицы (напряжение 2,4 В). От левого тумблера «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ» подайте сигнал на вход J («ВХОД 2»), а от правого тумблера «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ» – на вход К («ВХОД 4»). Задавая тумблерами «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ» различные значения входных сигналов, исследуйте триггер. При этом на вход С («ВХОД 3») с гнезда «ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ» при помощи кнопки подавайте последовательность тактовых импульсов. Контроль выходного состояния триггера «ВЫХОД 1» и «ВЫХОД 2» проводите по наличию свечения светодиодов.

К пункту 5.

Соедините гнезда «ВХОД 1» и «ВХОД 5». Подайте на объединенные входы сигнал «+2,4 В» от источника регулируемого напряжения. «ВХОД 3» соединить с гнездом «1 Гц» «ГЕНЕРА-ТОРА ИМПУЛЬСОВ». Выходное напряжение «ВЫХОД З» проконтролируйте по наличию свечения светодиода.

К пункту 6.

С помощью соединительного шнура подайте сигнал с левого тумблера «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ» на входы R всех триггеров («ВХОД 5»). Задавая тумблером различные комбинации сигналов на входе R, по наличию свечения светодиодов (п. 5, 6, 7) контролируйте состояние всех выходов («ВЫХОД 1» – «ВЫХОД 4»).

Для построения временной диаграммы на вход С («ВХОД 3») подайте сигнал с гнезда «ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ», предварительно подав сигнал «1» на вход R («ВХОД 5»), от гнезда «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ». Сигнал на входе проконтролируйте по наличию свечения светодиодов для каждого из выходов («ВЫХОД 1» – «ВЫХОД 4»). Нажимая на кнопку «ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ», проанализируйте коэффициент деления на каждом выходе и момент срабатывания (фронт либо срез импульса на входе С).

Общий коэффициент деления счетчика определите с помощью цифрового индикатора «СЧЕТЧИК ИМПУЛЬСОВ». Для этого тумблер «СЧЁТ-УСТ. 0» установите в положение «СЧЁТ», а на гнездо «ВХОД» подайте сигнал с гнезда «ВЫХОД 4». На вход С исследуемой схемы подавайте импульсы с источника «ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ». Сосчитайте количество входных импульсов, необходимых для того, чтобы содержимое цифрового индикатора увеличилось на единицу.

К пункту 7.

С помощью соединительного шнура подайте сигнал с гнезда «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ» на R-входы триггеров счетчика («ВХОД 5»). Задавая тумблером «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ» различные комбинации сигнала на входе R, проанализируйте состояние на выходах («ВЫХОД 1» – «ВЫХОД 4»). Выберите значение логического уровня на входе R, необходимое для сброса триггеров счётчика.

На вход R счётчика подключите единичный логический уровень с гнезда «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ». Для построения временной диаграммы на «ВХОД 3» подайте сигнал с гнезда «ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ». Состояние каждого из выходов («ВЫХОД 1» – «ВЫХОД 4») после каждого очередного входного импульса проконтролируйте по наличию свечения светодиодов.

К пункту 8.

Построение временных диаграмм проводите при следующих подключениях:

• на вход R подайте сигнал нулевого уровня с гнезда «УРОВЕНЬ ЛОГИЧЕСКИЙ»;

• на вход С1 («ВХОД 3») подайте сигнал с гнезда «ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ».

Нажимая на кнопку «ИМПУЛЬС ОДИНОЧНЫЙ», наблюдайте и записывайте состояние светодиодов на выходах («ВЫХОД 1» – «ВЫХОД 4») после каждого очередного нажатия.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

• условные графические обозначения исследованных устройств;

• таблицы истинности;

• временные диаграммы работы устройств.

Задания для домашней подготовки

Для успешного усвоения материала рекомендуется перед проведением лабораторной работы изучить следующие вопросы:

1. Что представляет собой двоичная форма записи информационных сигналов?

2. Какие вам известны основные логические операции над двоичными переменными?

3. Какие вам известны основные законы, тождества и теоремы алгебры логики?

4. Что такое триггер?

5. Какие типы триггеров исследуются в работе?

6. Что такое счетчик?

7. Что такое модуль счета?

Краткие теоретические сведения

Основой построения цифровых схем любой степени сложности служат логические элементы типа «И», «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ» и др. При этом все возможные варианты использования логических элементов можно разделить на устройства, состояние которых в данный момент не зависит от времени и однозначно определяется лишь входными сигналами (шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры и т.д.). Состояние устройств другого типа зависит не только от входной информации, но и от того, в каком состоянии они находились до прихода управляющих сигналов (триггеры, регистры, элементы памяти).

Устройства первой группы называются комбинационными, второй – последовательностными.

Входным и выходным сигналам цифровых устройств могут соответствовать два логических уровня: «1» и «0». В данной работе исследуются цифровые устройства комбинационного типа (логические элемента) и последовательностного типа (триггеры и счетчики).

Работа логических элементов, триггеров, счетчиков и других цифровых устройств может быть проиллюстрирована несколькими способами, основными на которых являются таблицы истинности и временные диаграммы.

Таблица истинности логических элементов имеет столько столбцов, сколько входов и выходов имеет логический элемент. Количество строк «К» в таблице связано с количеством вхо- дов «N» устройства соотношением К = 2^N. Заполнение таблицы истинности происходит путем перебора всех возможных комбинаций входных сигналов. Выходные сигналы анализируются экспериментально и располагаются в столбцах U_ВЫХ, соответствующих действующим входным сигналам. Пример заполнения таблицы истинности для элемента «ИЛИ-НЕ» приведен на рис. 6.5, а.

а) б)

Рис. 6.5 Логический элемент «ИЛИ-НЕ»: а – таблица истинности;

б – временные диаграммы

Работу цифрового устройства можно проиллюстрировать с помощью временной диаграммы. На рис. 6.5, б приведен пример временной диаграммы для элемента «ИЛИ-НЕ». Последовательность построения временной диаграммы следующая:

• отмечают систему осей U_ВХ = f(t), U_ВЫХ = f(t) (количество осей должно соответствовать общему количеству входных и выходных сигналов);

• на вертикальных осях отмечают уровни логического нуля и логической единицы;

• входные сигналы изображают на временной диаграмме так, чтобы имели место все возможные комбинации;

• состояние на выходах элементов анализируется по показаниям светодиодов и наносится на диаграмму.

Рис. 6.6. Временные диаграммы работы JK-триггера

при воздействии на J и K входы

При построении временных диаграмм триггеров и счетчиков необходимо обратить внимание на то, как происходит переключение сигнала на выходе по фронту или срезу входных сигналов, какое количество входных импульсов необходимо для переключения сигнала на каждом из выходов устройства. Пример такого построения дан на рис. 6.6.

Контрольные вопросы и задания

1. По временным диаграммам и таблицам истинности элементов «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», «НЕ» составьте таблицы истинности указанных устройств при использовании их для отрицательной логики.

2. Реализуйте логические операции «И», «ИЛИ-НЕ», «НЕ», «ИЛИ», используя только элемент «И-НЕ».

3. На выходах трех триггеров имеются значения переменных: . Составьте схему для реализации функции .

4. Проведите построение по определению помехоустойчивости неинвертирующего устройства.

5. Составьте таблицу истинности для RS-триггеров, реализованных на элементах «И-НЕ» и на элементах «ИЛИ-НЕ».

6. Объясните назначение R, S, J, K, С входов JK-триг-геров.

7. Объясните принцип действия D-триггера, неохваченного обратной связью, и постройте для него временные диаграммы.

8. По временным диаграммам укажите коэффициент деления триггера DD1, группы триггеров DD2, DD3, DD4, счётчика на JK-триггерах.

9. Используя счетчик на D-триггерах, разработайте блок управления, позволяющий проводить счёт не 16, а 14 импульсов.

10. Для каких целей счетчик К155ИЕ2 имеет входы R0 и R9?

11. Что изменится во временной диаграмме работы счетчика К155ИЕ2, если снять перемычку, соединяющую вход С2 с входом Q1?

72