Учебное пособие 1541

67-2019

КОМБИНАЦИОННЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ № 1–2 по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры»

для студентов направления подготовки 11.03.01 «Радиотехника» (профиль «Радиотехнические средства передачи, приема и обработки сигналов»)всех форм обучения

Воронеж 2019

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра радиотехники

КОМБИНАЦИОННЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ № 1–2 по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры»

для студентов направления подготовки 11.03.01 «Радиотехника» (профиль «Радиотехнические средства передачи, приема

и обработки сигналов») всех форм обучения

Воронеж 2019

УДК 681.325.5(07) ББК 32.973.2я7

Составители: канд. физ.-мат. наук, доц. В. А. Кондусов, канд. техн. наук, доц. Е. Д. Алперин

Комбинационные логические устройства: методические указания к выполнению лабораторных работ № 1–2 по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры» для студентов направления подготовки 11.03.01 «Радиотехника» (профиль «Радиотехнические средства передачи, приема и обработки сигналов») всех форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост.: В. А. Кондусов, Е. Д. Алперин. – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2019. – 20 с.

В методических указаниях изложены требования и рекомендации по выполнению лабораторных работ, их объему и содержанию.

Предназначены для студентов направления подготовки 11.03.01 «Радиотехника» (профиль «Радиотехнические средства передачи, приема и обработки сигналов») всех форм обучения.

Ил. 5. Табл. 4. Библиогр.: 4 назв.

УДК 681.325.5(07)

ББК 32.973.2я7

Рецензент — канд. техн. наук, проф. Б. В. Матвеев

Печатается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания содержат описания двух лабораторных работ по измерению параметров импульсных сигналов и синтезу цифровых логических комбинационных устройств. Лабораторные работы выполняются с использованием моделирующей программы

Electronics Workbench (EWB).

В первой лабораторной работе рассматриваются пассивные линейные цепи при импульсном воздействии, важное место среди которых занимают RC-цепи. С их помощью выполняется ряд преобразований импульсных сигналов, основанных на прохождении сигнала в виде ступенчатой функции через RC-цепь. Рассматриваются временные зависимости напряжений на элементах RC-цепи и формы напряжения на выходе рассматриваемых цепей с возможностью использования их в качестве разделительных, дифференцирующих, укорачивающих и интегрирующих цепей. Определяются основные параметры импульсных сигналов при изменении номинальных значений элементов цепей.

Вторая лабораторная работа посвящена синтезу и минимизации цифровых логических комбинационных устройств с заданным законом функционирования. В качестве цифровых элементов используются модели цифровых микросхем малой и средней степени интеграции.

Для подготовки к лабораторным работам следует пользоваться приведенными ниже источниками. К выполнению каждой работы допускаются студенты, выдержавшие собеседование с преподавателем по теоретическим и практическим вопросам, относящимся к тематике работы.

3

Лабораторная работа № 1

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

1. Общие указания

Цель работы: приобретение практических навыков измерения параметров импульсных сигналов с использованием моделирующей программы Electronics Workbench (EWB).

В процессе работы осуществляются практические измерения параметров прямоугольных и пилообразных импульсов в соответствии с лабораторными заданиями.

2. Краткие сведения из теории

И м п у л ь с н ы м и с и г н а л а м и принято называть электрические колебания, существующие в пределах конечного отрезка времени. При этом различают видеоимпульсы uB(t) и радиоимпульсы, для которых видеоимпульс uB(t) является огибающей, а гармоническая функция U cos( t+ϕ) высокочастотным заполнением.

Э л е к т р и ч е с к и е и м п у л ь с ы представляют собой процессы, протекание которых сопровождается сравнительно медленными изменениями напряжения или тока на одних временных интервалах и достаточно быстрыми изменениями на других. Основным отличительным признаком электрических импульсов является их форма, которая отождествляется с геометрическими образами [1] (рис. 1).

Рис. 1. Форма импульсных сигналов

4

По этому признаку можно выделить:

• импульсы прямоугольной формы (рис. 1, а), для которых характерны плоская вершина и самая высокая скорость нарастания и спада напряжения. Для описания прямоугольного импульса используются два параметра: амплитуда U и длительность и. Одно из достоинств прямоугольных импульсов — простота формирования;

• импульсы трапецеидальной формы (рис. 1, б), которые можно рассматривать как несовершенство реализации или аппроксимацию прямоугольных импульсов. В трапецеидальных импульсах обычно выделяют:

–фронт длительностью tф в виде временного интервала, на котором происходит изменение напряжения от 0 до амплитудного значения;

–срез длительностью tср в виде временного интервала, на котором происходит изменение напряжения от амплитудного значения до 0;

–вершину импульса — участок между фронтом и срезом.

Длительность импульса и определяется на уровне 0,5U;

•импульсы пилообразной формы (рис. 1, в), которые используются для развертки луча в электронных трубках, для преобразования типа время — амплитуда и других целей. Импульсы пилообразной формы характеризуются длительностями прямого

(tпх) и обратного хода (tох). Для оценки нелинейности используется отношение скоростей в начале и конце прямого хода импульса;

•импульсы колоколообразной формы (рис. 1, г), обладающие наименьшей шириной спектра. Они используются в технике связи

ирадиолокации.

Импульсные сигналы по каналам связи передаются в виде радиоимпульсов. Для иллюстрации на рис. 1, д приведена форма радиоимпульса при передаче импульсов прямоугольной формы.

Так как импульсные устройства всегда содержат накопители энергии (в виде паразитных индуктивности и емкости), невозможно получить мгновенные изменения токов и напряжений. Поэтому для каждой формы реальных импульсов дополнительно вводятся параметры, характеризующие отклонения формы реальных импульсов от идеальных. Например, для реальных прямоугольных импульсов

(рис. 2):

5

– длительность импульса определяется на уровне 0,5U, а длительности фронта tф и среза tср — при изменении напряжения

впределах 0,1U...0,9U;

–используются такие параметры, как спад вершины U,

выбросы фронта Uв фр и среза Uв ср.

Для периодической последовательности импульсов с периодом следования Т вводят понятие скважности, под которым понимают

отношение периода к длительности импульса: q = Т/и. Иногда вместо скважности пользуются понятием коэффициента заполнения

Kзап = 1/q.

Помимо геометрических параметров, при описании импульсных процессов и сигналов используют электрические показатели, например, мощность импульса, среднюю мощность за период, постоянную составляющую напряжения (тока) и др.

Рис. 2. Параметры прямоугольного импульса

3. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению

3.1. Собрать схему (рис. 3) в рабочем окне программы EWB (см. прил. 1).

Установить частоту генератора 20 Гц, Kзап = 50 %, амплитуду — 5 В, смещение — 0. Режим работы — прямоугольные импульсы.

Выполнить моделирование и измерить параметры прямоуголь-

ных импульсов: U, Т, F, τи, tф, tср, q, Kзап.

Изменяя величину С от 1 до 10 мкФ с шагом 1 мкФ, снять зависимости τф и τи от величины С.

Результаты представить в графической форме.

6

Рис. 3

3.2. Собрать схему (рис. 4) в рабочем окне программы EWB. Установить частоту генератора 20 Гц, Kзап = 50 %, амплитуду —

5 В, смещение — 0. Режим работы — прямоугольные импульсы. Выполнить моделирование и измерить параметры положительных

коротких импульсов: U, Т, τи, tф, tср, q, Kзап.

Изменяя величину С от 1 до 10 мкФ с шагом 1 мкФ снять зависимости tср и τи от величины С.

Результаты представить в графической форме.

Рис. 4

3.3. Собрать схему, изображенную на рис. 4.

Установить частоту генератора 20 Гц, амплитуду — 5 В, Kзап = 50 %, смещение — 0. Режим работы — треугольные импульсы.

Выполнить моделирование и измерить параметры импульсов: U,

Т, F, τи, tф, tср.

7

Изменяя величину емкости от 1 до 20 мкФ, снять зависимости U и τи от величины С.

Результаты представить в графической форме.

3.4. Собрать схему (рис. 5) в рабочем окне программы EWB. Установить частоту генератора 200 Гц, амплитуду — 5 В,

Kзап = 50 %, смещение — 0. Режим работы — прямоугольные импульсы.

Выполнить моделирование и измерить параметры импульсов: U,

Т, F, τи, tф, tср.

Изменяя величину индуктивности от 100 до 1000 мГн, снять зависимости τи и tср от величины индуктивности.

Результаты представить в графической форме.

Рис. 5

4. Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1.Электрические схемы (рис. 3–5).

2.Осциллограммы напряжений измеряемых сигналов.

3.Таблицу с результатами измерений.

4.Выводы.

8

Вопросы для самопроверки

1.Дайте определение одиночного электрического импульса.

2.Какие параметры импульсов относятся к основным?

3.Какие дополнительные параметры используются для описания импульсов прямоугольной (пилообразной) формы?

4.Как определить скважность импульсов?

5.Чему равен коэффициент заполнения Kзап?

Лабораторная работа № 2

СИНТЕЗ КОМБИНАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

1. Общие указания

Цель работы: овладение методами синтеза и экспериментальное исследование комбинационных цифровых устройств на логических элементах.

Разрабатываются и экспериментально исследуются оптимальные электрические схемы цифровых комбинационных устройств

сзаданным законом функционирования.

2.Домашние задания и методические указания по их выполнению

2.1.Составить электрические схемы, реализующие функции 4И и ЗИЛИ используя ИЛС К155ЛАЗ (7400) (см. прил. 2).

2.2.Синтезировать комбинационное устройство, реализующее логическую функцию, заданную таблицей истинности (см. табл. 1–2) в соответствии с вариантом домашнего задания. Номер таблицы соответствует номеру студенческой группы. Изобразить электрическую схему, используя только одну микросхему из ИЛС серии

155 (SN74) (см. прил. 2).

2.3.Синтезировать комбинационное устройство, реализующее логическую функцию, заданную таблицей истинности (см. табл. 3–4) в соответствии с вариантом домашнего задания (1 группа — табл. 3, 2 группа — табл. 4). Изобразить электрическую схему, используя только одну микросхему серии 155 (SN74), а также входные сигналы как в прямой, так и в инверсной форме.

9