Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Схемотехника цифровых, аналого-цифровых и цифро-аналоговых устройств: Учебное пособие

Голосов: 13

В пособии рассмотрены схемотехнические решения цифровых, аналого-цифровых и цифро-аналоговых устройств. Учебное пособие предназначено для выполнения практикума по дисциплинам "Схемотехника электронных средств", "Схемотехника ЭВМ", "Основы микроэлектроники" для студентов очной формы обучения соответственно специальностей 210201 "Проектирование и технология радиоэлектронных средств", 230101 "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети", 030100 "Информатика".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
        ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
                Государственное образовательное учреждение
                  высшего профессионального образования
                «Оренбургский государственный университет»




                             Е.А. КОРНЕВ




   СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВЫХ,
    АНАЛОГО – ЦИФРОВЫХ И
 ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ



 Рекомендовано Ученым советом Государственного образовательного учре-
 ждения высшего профессионального образования «Оренбургский государ-
 ственный университет» в качестве учебного пособия для выполнения прак-
 тикума по дисциплинам "Схемотехника электронных средств", "Схемотех-
 ника ЭВМ", "Основы микроэлектроники" для студентов, обучающихся по
 программам высшего профессионального образования очных форм обуче-
 ния специальностей "Проектирование и технология радиоэлектронных
 средств", "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети", "Инфор-
 матика"




                           Оренбург 2005


ББК 32.97.я7
    К-67
УДК681.326.32 (07)



       Рецензент
       доктор технических наук, профессор Соловьев Н.А.



           Корнев Е.А.
К-67       Схемотехника цифровых, аналого - цифровых и цифро - аналого-
           вых устройств: Учебное пособие. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005. -
           106 с.


            ISBN



            В пособии рассмотрены схемотехнические решения цифровых, анало-
       го – цифровых и цифро-аналоговых устройств.
            Учебное пособие предназначено для выполнения практикума по дис-
       циплинам "Схемотехника электронных средств», "Схемотехника ЭВМ»,
       "Основы микроэлектроники» для студентов очной формы обучения соот-
       ветственно специальностей 210201 «Проектирование и технология радио-
       электронных средств», 230101 «Вычислительные машины, комплексы,
       системы и сети», 030100 «Информатика».




       2202090100
   К                                                             ББК 32.97.я7




                                                          © Корнев Е. А., 2005
                                                          © ГОУ ОГУ, 2005
    ISBN

                                                                            2


                                  Введение
      В настоящее время в радиоэлектронных системах, в средствах вычисли-
тельной техники, системах управления и информационно-измерительной тех-
нике используется широкий спектр больших (БИС) и сверхбольших инте-
гральных микросхем (СБИС), которые получили в последнее десятилетие про-
грессирующее развитие.
      К БИС и СБИС можно отнести: микропроцессорные комплекты и микро-
контроллеры, программируемые логические матрицы и базовые матричные
кристаллы, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, а также за-
поминающие устройства. Эти сложные в структурном построении и функцио-
нальном понимании интегральные компоненты нашли широкое применение в
указанных системах и являются основой их построения.
      Однако изучение цифровой электроники представляется сложным начи-
нать с системотехники и микросхемотехники интегральных устройств, а тем
более осваивать проектирование систем на их основе. Поэтому необходимо,
прежде всего, изучить внутреннее устройство и алгоритмы работы менее слож-
ных функциональных узлов цифровой электроники.
      Настоящее учебное пособие предназначено для обучения студентов прак-
тическим основам схемотехники относительно простых цифровых, цифро-
аналоговых и аналого-цифровых электронных средств и включает следующие
разделы: "Логические элементы", "Комбинационные схемы", "Триггерные и
пересчетные устройства", "Управляющие устройства", "Цепи ввода данных",
"Шины передачи данных", "Запоминающие устройства", "АЦП и ЦАП".
      Практикум позволяет студентам:
- изучить схемотехнику, алгоритмы функционирования и приобрести навыки
тестирования следующих цифровых элементов и узлов: базовых логических
элементов; комбинационных логических схем; триггеров, счетчиков и регист-
ров; нескольких интерфейсных узлов ввода и межсистемной передачи данных;
- освоить основы построения управляющих устройств, провести сравнительное
исследование их преимуществ и недостатков; приобрести практический опыт в
отладке и анализe функционирования управляющих конечных автоматов двух
видов;
- овладеть основами схемотехники запоминающих устройств и практическими
методами записи, считывания, редактирования и программирования ППЗУ с
ультрафиолетовым стиранием информации с помощью программатора, рабо-
тающего на связи с персональным компьютером;
- изучить параметры детерминированных и случайных аналоговых сигналов и в
динамическом режиме наблюдать процесс аналого-цифрового преобразования;
производить ручной и автоматизированный (с применением персональной
ЭВМ) набор и обработку статистических распределений параметров сигналов;
- изучить схемотехнику и измерить передаточные характеристики и основные
параметры цифро-аналоговых преобразователей.



                                                                        3


     1 Практикум "Логические элементы"
       Цель работы:
       Практикум предназначен для:
       - практического изучения принципов построения и функционирования
базовых логических элементов различных типов, выполняемых по RTL, DTL,
TTL и CMOS технологиям;
       - приобретения навыков в тестировании и анализе основных характери-
стик логических микросхем малой и средней степени интеграции;
       - сравнительного анализа их преимуществ и недостатков.

     1.1 Резисторно-транзисторные логические элементы
       Резисторно-транзисторные элементы (RTL- элементы) появились одни-
ми из первых в микроэлектронике. Это были 60-е годы. Относительная просто-
та их реализации на технологическом уровне тех лет позволяла выполнять ин-
тегральные схемы (ИС) малой степени интеграции. На рисунке 1.1 показана
электрическая схема RTL-элемента, выполняющего логическую функцию
3ИЛИ-НЕ.




      Рисунок 1.1 - Электрическая схема RTL - элемента 3ИЛИ-НЕ

       Схема работает следующим образом. При отсутствии входного сигнала
транзистор находится в закрытом состоянии, благодаря наличию смещающей
цепи резистора R4. На выходе элемента при этом установлен высокий потенци-
ал, соответствующий лог. 1. Если на любой из входов элемента подать лог. 1, то
потенциал на базе транзистора повысится и транзистор откроется. На выходе
логического элемента появится низкий потенциал - лог.0.
       Недостатки RTL-элементов:
       - низкая технологичность из-за необходимости применения различной
технологии резистивных и активных элементов;
       - высокая потребляемая мощность;
       - низкое быстродействие;
       - малые коэффициенты разветвления и объединения;
       - низкая нагрузочная способность.



                                                                            4


     1.2 Диодно-транзисторные логические элементы
      Представленный на рисунке 1.2 диодно-транзисторный базовый логиче-
ский элемент (DTL-элемент) реализует логическую функцию И-НЕ. Функция И
выполняется на диодной группе, а транзистор, как усилитель-инвертор, произ-
водит операцию НЕ.




     Рисунок 1.2 - Электрическая схема DTL - элемента И-НЕ

       Схема работает следующим образом. В исходном состоянии, когда на
три входа поданы логические "1" (высокий уровень), с помощью смещающей
цепи R1 транзистор Т1 устанавливается в открытое состояние и на выходе бу-
дет низкий потенциал лог.0. Если на любой из входов схемы подать низкий по-
тенциал, то точка (А) окажется зашунтирована, базовый ток транзистора при
этом уменьшится до полного закрывания транзистора и на выходе схемы поя-
вится лог.1. Таким образом, схема выполняет логическую операцию И-НЕ.
       Основными недостатками элементов DTL-типа являются:
       - низкая технологичность из-за разнородности применяемых полупро-
водниковых элементов;
       - относительно низкое быстродействие из-за насыщенного режима рабо-
ты транзистора, высоких постоянных времени входных цепей и высокого вы-
ходного сопротивления.

     1.3 Транзисторно-транзисторные логические элементы
      В настоящее время в интегральной схемотехнике транзисторно-
транзисторные логические элементы (TTL- типа) и особенно с диодами Шоттки
(TTLШ - типа) являются достаточно распространенными по сравнению с дру-
гими типами логических элементов. Они представляют собой технологически
улучшенный вариант элементов DTL-типа. В TTL-элементах вместо диодов ис-
пользуются многоэмиттерные транзисторы. Схемы простейших TTL-элементов
представлены на рисунках 1.3, 1.4.
      На логическом элементе, приведенном на рисунке 1.3, выполняется
функция 3И-НЕ. Элемент работает аналогично DTL-элементу, только вместо
диодов применяется многоэмитерный транзистор.



                                                                         5


     Рисунок 1.3 - Электрическая схема TTL-элемента ЗИ-НЕ
      TTL-элементы можно усложнять и улучшать, используя дополнительные
усилители. На рисунке 1.4 показан базовый TTL-элемент с фазоинвертором,
использующийся в ИС низкой и средней степени интеграции.




     Рисунок 1.4 - Электрическая схема TTL-элемента ЗИ-НЕ с повторителем
      На базе элемента И-НЕ может быть построен более сложный элемент,
выполняющий логическую функцию 3И-2ИЛИ-НЕ (рисунок 1.5).
      В настоящее время TTL-элементы применяются практически только в
"силовых" логических схемах, во входных и в выходных цепях БИС, благодаря
сочетанию таких качеств как высокая нагрузочная способность и быстродейст-
вие при относительно невысоком потреблении.
      Широкое распространение получили микросхемы серии ТТL с диодами
Шоттки, которые обладают более высоким быстродействием и низким потреб-
лением в сравнении с обычными ТТL-схемами.




     Рисунок 1.5 - Электрическая схема TTL - элемента типа 3И-ИЛИ – НЕ

                                                                           6


     1.4 Комплементарные логические элементы на основе транзисторов
"металл-окись-полупроводник"
        Комплементарные логические элементы на основе транзисторов "ме-
талл-окись-полупроводник" (КМОП - типа) с индуцированными каналами раз-
ного типа проводимости обладают самыми лучшими показателями по потреб-
ляемой мощности. Схема КМОП - элемента типа И-НЕ показана на рисунке 1.6.
Элемент содержит только МОП транзисторы двух типов: с индуцированным n-
каналом (Т3, Т4) и с индуцированным p-каналом (Т1, Т2).
        Рассмотрим принцип действия КМОП - элемента. Пусть, например, в
исходном состоянии на обоих входах присутствует лог. 0. В этом случае верх-
ние тразисторы Т1 и Т2 будут открыты, а нижние транзисторы Т3, Т4 будут за-
крыты. На выходе будет установлена лог. 1, но ток в микросхеме протекать не
будет из-за закрытых транзисторов Т3, Т4. Если на входе Х1 присутствует
лог.0, а на входе X2 - лог.1, то транзисторы Т1, Т4 будут открыты, а транзисто-
ры Т2, Т3 - закрыты. На выходе при этом установится также значение лог.1.
Смена входных сигналов приводит к смене состояний Т1, Т4 и Т2, Т3, и на вы-
ходе опять установится лог.1, но ток в схеме после переключения также равен
нулю. Подача на оба входа лог.1 приводит к открытому состоянию Т3, Т4 и к
закрытому состоянию Т1, Т2, при этом на выходе устанавливается лог.0, но и в
этом состоянии ток в схеме также не проходит.
       Следовательно, в КМОП-элементах энергия тратится только лишь во
время переключений на перезаряд паразитных емкостей и емкостей нагрузки
схемы. КМОП - элементы являются высокотехнологичными, так как не содер-
жат в своих схемах разнородных элементов, таких как резисторы, диоды, бипо-
лярные транзисторы. К недостаткам КМОП - элементов можно отнести пара-
зитное влияние p-n-p и n-p-n - переходов, которые возникают как побочные пе-
реходы в КМОП структурах, размещаемых на одной полупроводниковой под-
ложке. Эти паразитные биполярные структуры иногда отрицательно сказыва-
ются на поведении КМОП - элементов, вызывая так называемый тиристорный
эффект, искажающий передаточную характеристику элемента.




     Рисунок 1.6 - Электрическая схема логического элемента КМОП-типа
2И-НЕ на транзисторах с индуцированными каналами n (T3, T4)- и p (T1, T2)-
типа



                                                                             7


     1.5 Контрольные вопросы
1 Поясните принцип действия и приведите выходные статические характери-
стики n-p-n биполярного транзистора.
2 Приведите основные схемы включения транзистора.
3 Чем отличаются выходные ВАХ транзистора, включенного по схеме ОЭ и
ОБ?
4 Приведите сравнительный анализ схем включения биполярного транзистора.
5 Какая структура и особенности работы МОП-транзистора?
6 Приведите условно-графические обозначения всех типов МОП- транзисторов
и их проходные ВАХ.
7 Какое основное отличие МОП-транзистора с индуцированным каналом от
МОП-транзистора со встроенным каналом?
8 Приведите сравнительный анализ частотных и временных параметров поле-
вых транзисторов с p-n переходом и МОП-типа.
9 Биполярный транзистор с диодом Шоттки. Объясните его преимущества в
ключевых каскадах.
10 Дайте классификацию логических элементов
11 Поясните принципы работы DTL-элемента.
12 Опишите таблицу истинности для элемента "исключающее ИЛИ".
13 Назовите недостатки DTL-элемента?
14 Поясните принцип работы TTL-элементов.
15 Опишите таблицу истинности для элемента 3ИЛИ-НЕ.
16 Какие недостатки характерны для TTL-элементов?
17 В чем принципиальное отличие элементов ТТL и ТТL-Шотки?
18 Поясните принцип работы КМОП-элементов.
19 От чего зависит потребляемая мощность КМОП-элемента?
20 Какие недостатки КМОП-элементов Вы знаете?
21 Какие технологические особенности присущи логическим элементам разно-
го типа?
22 Какие устройства и органы управления содержит лабораторный стенд?

     1.6 Краткое описание учебного лабораторного стенда "Цифровая
электроника"
      Лицевая панель стенда разбита на 11 функциональных полей. Три поля
"ИС" содержат сокеты для микросхем с разным количеством выводов (16,18 и
24). Вокруг каждой сокеты расположены контакты, подключенные к соответст-
вующим контактам сокет.
      В верхней части панели расположено поле "ИНДИКАТОРЫ", содержа-
щее 16 индикаторных светодиодов, подключенных к контактам.
      В нижней части панели расположены три поля "Счетчик" (А, В и С) с ин-
дикаторами состояний, контактами и управляющими кнопками. С помощью
счетчиков можно задавать четырехразрядные логические комбинации на вхо-
дах изучаемых интегральных схем в ручном или автоматическом режиме.

                                                                         8


Счетчики производят счет в ручном режиме от кнопки "Счет" или от встроен-
ного генератора прямоугольных импульсов при установке перемычки (область
"Генераторы"). С помощью кнопки "Сброс" можно обнулять счетчик.
      Область "Генераторы" содержит управляющие элементы и контакты, с
которых можно подавать на изучаемую схему регулируемое постоянное напря-
жение (0-5 В), одиночные прямоугольные импульсы, либо последовательность
прямоугольных или пилообразных импульсов.
      Кроме того, на лицевой панели стенда расположены контакты общей ши-
ны стенда (область "Общ."), напряжения питания (область +5 В, +12 В, -12 В) и
выключатель питания стенда с индикатором (область "Сеть").

     1.7 Порядок выполнения практикума

        В счет часов самостоятельной работы выполните следующее:
        - получите от преподавателя вариант тестируемых микросхем (табли-
ца 1) на занятии, предшествующему данному практикуму;

     Таблица 1.1 – Типы тестируемых логических ИС

  Вариант                    Типы тестируемых микросхем
      1                  К155ЛН1, К155ЛИ1, К155ЛА1, К155ЛП5
      2                  К155ЛН1, К155ЛА4, К155ЛЕ1, К155ЛП12
      3                  К155ЛН5, К561ЛА3, К155ЛЕ1, К155ЛП5

       - изучите основы построения и принципы действия логических элемен-
тов типа НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ и исключающее
ИЛИ-НЕ по основной и дополнительной литературе, приведенной в настоящем
пособии;
       -проработайте методические указания к настоящему практикуму;
       -нарисуйте схемы включения всех предложенных к проверке микро-
схем, используя общепринятые, приведенные в справочниках для выполнения
электрических схем обозначения логических элементов, источников питания,
светодиодов, общих шин, клемм и проводников, переключателей (тумблеров)
логических уровней. При этом входные логические сигналы на микросхему не-
обходимо подавать от встроенного в стенд счетчика. Пример выполнения схе-
мы включения показан на рисунке 1.7. Условно-графические обозначения ло-
гических элементов приведены в п.1.12 настоящего раздела.




                                                                           9


        Рисунок 1.7 - Пример выполнения схемы включения микросхемы

         - составьте таблицы истинности для тестируемых логических элемен-
тов;
      ВНИМАНИЕ!
      При выполнении практикума в лабораторном классе:
      Соблюдайте правила техники безопасности при работе со стендом и
приборами как с электрическими установками! Сетевое питание на стенд
и питание на тестируемые схемы подавайте только после полного монтажа
схемы и проверки монтажа преподавателем!
       - заполните таблицу истинности для различных логических элементов
(таблица 1.2);

   Таблица 1.2 –Таблица истинности логических элементов


                           Значение выходной логической функции Y
  Комбина-
  ции вход-                                                            Исклю-
  ных пере-                                                 Исклю-
                                                                       чающее
   менных          И         ИЛИ       И-НЕ     ИЛИ-НЕ      чающее
                                                                        ИЛИ-
                                                             ИЛИ
                                                                         НЕ
   X1      X2     X1 X 2    X1 + X 2   X1 X 2    X1 + X 2   X1 ⊕ X 2   X1 ⊕ X 2
   0        0
   0        1
   1        0
   1        1

        - представьте преподавателю все таблицы истинности и схемы включе-
ния, ответьте на контрольные вопросы и получите у преподавателя разрешение
на проведение практикума;
       - повторите методические указания к настоящему практикуму и озна-
комтесь с органами управления и индикации на лицевой панели стенда и лице-
вой панели осциллографа;


                                                                                  10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика