Практикум для студентів спеціальності 050201 Укладач к т. н., доц. М. М. Биков затверджено

1. Лабораторний практикум

для студентів спеціальності 6.050201

Укладач к.т.н., доц. М.М.Биков

1. ЗАТВЕРДЖЕНО

1. Вінниця ВНТУ 2009

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1. Вивчення лабораторного

стенда та дослідження логічних елементів……………………………. 5

1.1. Порядок виконання роботи………………………………….. 5

1.2. Опис лабораторного стенда…………………………………. 5

1.3. Теоретичні відомості ………………………………………… 8

1.4. Завдання на лабораторну роботу……………………………. 12

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2. Синтез та дослідження

комбінаційних цифрових схем………………………………………….. 12

2.1. Порядок виконання роботи………………………………….. 12

2.2. Теоретичні відомості…………………………………………. 12

2.3. Завдання на лабораторну роботу……………………………. 22

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3. Синтез та дослідження

тригерів…………………………………………………………………… 24

3.1. Порядок виконання роботи………………………………….. 24

3.2. Теоретичні відомості ………………………………………… 24

3.3. Завдання на лабораторну роботу……………………………. 30

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4. Синтез та дослідження

лічильників……………………………………………………………….. 31

4.1. Порядок виконання роботи………………………………….. 31

4.2. Теоретичні відомості ………………………………………… 31

4.3. Контрольні запитання та завдання

на лабораторну роботу ……………………………………… 39

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5. Синтез та дослідження

регістрів………………………………………………………………….. 40

5.1. Порядок виконання роботи…………………………………. 40

5.2. Теоретичні відомості………………………………………… 41

5.3. Контрольні запитання та завдання

на лабораторну роботу……………………………………… 50

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6. Синтез та дослідження

перетворювачів кодів …………………………………………………… 52

6.1. Порядок виконання роботи…………………………………. 52

6.2. Теоретичні відомості………………………………………… 52

6.3. Завдання на лабораторну роботу …………………………… 61

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №7. Синтез

цифрових автоматів …………………………………………………… 62

7.1. Порядок виконання роботи…………………………………. 62

7.2. Теоретичні відомості………………………………………… 62

7.3. Приклад виконання лабораторної роботи…………………… 68

ЛІТЕРАТУРА ……………………………………………………………. 746

Електронні цифрові обчислювальні машини (ЕОМ, по іншому комп'ютери) і інші засоби обчислювальної техніки (ОТ) мають особливе значення для систем управління і автоматики, де вони виконують основну частину роботи по збиранню, зберіганню та обробці інформації, необхідної для формування керівних дій в обмежений проміжок часу. В зв'язку з цим сучасні ЕОМ становлять собою базу не тільки для існуючих, але й для перспективних високоефективних автоматичних і автоматизованих систем керування технологічними процесами і виробництвом, систем автоматизації пошуку інформації, наукових досліджень. Цифрові електронні обчислювальні машини є окремим, але найбільш поширеним видом цифрових автоматів. Для успішного вивчення загальних принципів обробки цифрової інформації раціонально відсторонитися від реального апаратного забезпечення комп'ютера і розглядати його як деякий абстрактний цифровий автомат, призначений для обробки інформації, представленої в цифровій формі. Знання теорії таких автоматів необхідні для успішного пошуку нових принципів побудови комп'ютерів, вдосконалення вже відомих алгоритмів обробки цифрової інформації, грамотного застосування обчислювальної техніки в системах управління і автоматики і розробки різноманітного програмного забезпечення для таких систем.

Лабораторний практикум з дисципліни "Основи теорії цифрових автоматів" містить 7 лабораторних робіт, призначених для фронтального виконання на лабораторних стендах типу УМ 11 і входить до складу комплексу навчальної літератури, що забезпечує вивчення даної дисципліни студентами спеціальності "Комп'ютеризовані системи автоматики і управління". Практикум відіграє важливу роль для отримання навиків практичної роботи з цифровими пристроями, що входять до складу електронних обчислювальних машин та інших цифрових автоматів. Лабораторні заняття дають студентам наочне уявлення про роботу окремих логічних елементів і цифрових мікросхем, про їх властивості, характеристики і можливості, розвивають навички синтезу і дослідження комбінаційних схем і цифрових автоматів. Під час занять студенти повинні отримати корисний для їхньої майбутньої роботи досвід використання сучасних електронних елементів і цифрових пристроїв, які на сьогодні широко використовуються в схемотехніці обчислювальних машин та функціональних вузлах систем автоматики і управління. В процесі лабораторних занять здійснюється один з найважливіших моментів навчального процесу - зв'язок теорії з практикою, внаслідок чого студент отримує необхідні знання, уміння та навички в організації та проведенні досліджень з самостійною оцінкою отриманих результатів, а також засвоює технологію синтезу, складання, налагодження та експлуатації електронних схем.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1
ВИВЧЕННЯ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ТА

ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

вивчити роботу основних логічних елементів.

1. 
   Ознайомитись з описом будови лабораторного стенда, теоретичними відомостями та рекомендованою літературою.
   
2. 
   Вибрати на лабораторному стенді логічний елемент із заданого переліку умовних позначень і дослідити його роботу. Для цього виходи перемикального регістра потрібно під'єднати до входів вибраного логічного елемента, задати послідовно всі можливі набори значень вхідних сигналів логічного елемента, фіксуючи відповідним чином кнопки перемикального регістра, і для кожного набору зафіксувати значення вихідного сигналу по стану світлодіода, під'єднаного до виходу логічного елемента.
   
3. 
   Пункт 1.1.2. повторити для кожного логічного елемента із заданого в завданні на лабораторну роботу переліку. Результати досліджень оформити у вигляді таблиць істинності. Зробити висновок про те, яку логічну функцію реалізує кожний логічний елемент.
   
4. 
   Оформити звіт про виконання лабораторної роботи.
   

1.2. ОПИСАННЯ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторна установка УМ11-М призначена для проведення лабораторних робіт з розділу «Логічні і схемотехнічні основи ЕОМ» дисципліни «Обчислювальні машини та інформаційні системи». Вона також може бути використана в різних дисциплінах, які вивчають основи цифровоЇ техніки в вищих навчальних закладах.

Конструктивно лабораторний стенд складається з таких функціональних блоків: задавального блока, блока логічного 1, блока логічного 2, якi стаціонарно закріплені в рамі, а також чотирьох змінних блоків: блока дешифраторів, блока мультиплексорів, блока лічильників, установочного блока. На рамі стенда закріплюється тільки один з названих чотирьох блоків і при потребі замінюється будь-яким іншим.

Схема розміщення блоків на лабораторному стенді показана на рис.1.1.

Задавальний блок розташований на стенді зліва і призначений для вироблення вхідних дій на досліджувані елементи і складається з трьох пристроїв: генератора синхроімпульсів, синхронізованого генератора поодиноких імпульсів і схеми затримки.

1 мГц 500 кГц

вх.1. вх.2.

вых.1. вых.2.

Рисунок 1.1 - Схема розміщення функціональних блоків на лабораторному стенді

Синхронізований генератор поодиноких імпульсів призначений для формування з названих серій одного імпульсу позитивної або негативної полярності шляхом натискання кнопки «Пуск» на лицьовій панелі задавального блока. Для цього сигнал з одного із виходів генератора синхроімпульсів подається комутаційним шнуром на вхід «Синх» генератора поодиноких імпульсів.

Схема затримки забезпечує на гнізді «Вих» затримку сигналів, які подаються на гніздо «Вх.1.» пристрою затримки, в діапазоні від 0,1 мкс до 0,5 мкс з дискретним кроком 0,1 мкс. При подачі сигналів на гніздо « Вх.2. » час затримки лежить в діапазоні від 0,02 до 0,1 мкс.

Блок логічний 1 займає середнє місце на стенді і має в своєму складі чотири тригери D-типу з динамічним керуванням на синхровході, чотирирозрядний перемикальний регістр та чотири індикатори на світлодіодах (рис.1.1). Тригерні схеми мають індикацію на світлодіодах на своєму прямому виході.

Перемикальний регістр блока виробляє на своїх вихідних гніздах потенціальні рівні логічного «0» і логічної «1». Коли кнопка натиснута, на нижньому гнізді відповідного розряду - рівень логічної одиниці, на верхньому – рівень логічного нуля. Тобто можна вважати, що з нижнього вихідного гнізда розряду знімається цифровий сигнал х_i, а з верхнього - .

На лицьовій панелі блока виведено контрольні і комутаційні гнізда, до яких під'єднано входи і виходи досліджуваних логічних елементів. На ній також нанесено умовні позначення логічних елементів та вузлів, якi входять в блок.

Блок логічний 2 розташований на стенді справа знизу (рисунок 1.1) і має в своєму складі набір логічних елементів, чотири тригерні схеми JК-типу з статичним керуванням по синхровходу, чотирирозрядний перемикальний регістр та індикатор на чотирьох світлодіодах. Умовні позначення логічних елементів і вузлів блока, а також їх вхідні та вихідні комутаційні гнізда виведені на лицьову панель. В правому верхньому кутку блока логічного 2 виведено 3 пари спеціальних гнізд для під'єднання входу осциллографа.

Змінний блок розташований в правому верхньому кутку лабораторного стенда. На його місце можна по потребі встановити блок дешифраторів, блок мультиплексорів, блок лічильникiв або установочний блок, в дві панельки якого можна вставити для дослідження мікросхеми необхідних цифрових вузлів.

Всі схеми для досліджень збираються на стенді за допомогою спеціальних комутаційних шнурів, які додаються до стенда.

1.3. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

При аналізі і синтезі цифрових пристроїв обчислювальних машин використовується математичний апарат алгебри логіки. Алгеброю логіки (бульовою алгеброю) називається пара множин (В, ), де В-множина бульових функцій, якi набувають значень на множині {0,1}, а ={ ,V, } – множина операцій, що містить відповідно кон'юнкцію, диз'юнкцію та заперечення. В цифрових пристроях аргументам логічних функцій відповідають вхідні цифрові сигнали, самим логічним функціям – вихідні сигнали. Електронна схема, яка реалізує елементарну логічну функцію для заданої кількості аргументів, називається логічним елементом.

Логічну функцію можна вважати повністю заданою, коли задано її значення на всіх можливих поєднаннях значень аргументів, що називаються наборами. Якщо бульова функція залежить від n змінних, то кількість наборів її аргументів z=2ⁿ. Наприклад, для одного аргументу є 2¹=2 набори (0 і 1), для двох 2²=4 набори {(0,0) (0,1) (1,0) (1,1)}. Вважають, що дві логічні функції відрізняються одна від одної, коли вони набувають різних значень хоча б на одному наборі аргументів. Оскільки будь-яка логічна функція визначена на z наборах і може набувати двох значень 0 і 1, то кількість різних логічних функцій від n змінних (х₁,х₂,...,х_n) дорівнює .

3 таблиці істинності для всіх логічних функцій однієї змінної (табл.1.1.) бачимо, що єдина з них цікава для нас – f₂(x) = , яку раніше ми назвали функцією заперечення. Функції f₀(x) = 0 i f₃(x) = 1 є константи, а f₁(x) = х повторює значення аргументу.
Таблиця 1.1 – Логічні функції однієї змінної
АргументФункціїхf₀(x) f₁(x)f₂(x)f₃(x) 0001110101
Логічна функція заперечення, або функція НЕ, змінює значення аргументу х на супротивне.

Розглянемо тепер функції двох змінних, кількість яких становитиме 16 (табл.1.2). 3 наведених у табл. 1.2. логічних функцій шість – константи чи функції одного аргументу:

Функція f₁(x₁,x₂) називається кон'юнкцією і набуває одиничного значення тільки тоді, коли змінні х₁ та х₂ мають одиничні значення. Стосовно до логічних висловлень, це означає, що складне висловлення, задане кон'юнкцією простих висловлень х₁ та х₂ істинне тоді, коли істинні обидва ці висловлення, Наприклад, висловлення «можна писати» залежатиме від простих висловлень х₁ – «є ручка» та х₂ – «є папір» і може бути істинним тоді, коли виконуються обидві умови: «можна писати»=«є ручка» і «є папір», або в символьному вигляді f₁(x₁,x₂) = x₁  x₂ =1, якщо х₁ = 1, х₂ = 1.

Функція f₁(x₁,x₂) називається диз'юнкцією. Щоб ця функція набула одиничного значення, треба, щоб змінна х₁, чи змінна х₂ чи обидві разом мали одиничне значення. Наприклад, складне висловлення «Я поїду до Києва» або «Ти поїдеш до Харкова» істинне тоді, коли істинним стане або просте висловлення «Я поїду до Києва», або просте висловлення «Ти поїдеш до Харкова», чи коли істинні обидва висловлення.

Функція f₆(x₁,x₂) називається функцією нерівнозначності, або сумою за модулем 2. Для її позначення використовують знак додавання : f₆(x₁,x₂)=x₁x₂. Функція нерівнозначності набуває одиничного значення тільки тоді, коли x₁ і x₂ мають протилежні значення.

Функцію f₉(x₁,x₂) називають функцією рівнозначності або еквівалентності і позначають знаком рівнозначності: f₉(x₁,x₂)=х₁х₂. Функція f₉ стає одиницею на наборі змінних х₁ та х₂ тоді, коли х₁ і х₂ мають однакові значення.

Функція f₁₄(x₁,x₂) називається запереченням кон'юнкції, або штрихом Шеффера. Для її позначення використовують записи f₁₄(x₁,x₂)= або f₁₄(x₁,x₂)=x₁/x₂. Ця функція набуває нульового значення тільки в тому разі, коли змінні х₁ і х₂ дорівнюють одиниці. У решті випадків вона має одиничне значення. Її можна одержати суперпозицією заперечення і кон'юнкції. Суперпозиція - це підставляння одних функцій замість аргументів в інші.

Функцію f₈(x₁,x₂) називають запереченням диз'юнкції, або стрілкою Пірса, і позначають f₈(x₁,x₂)= або f₈(x₁,x₂)=х_{1 } х₂ . Вона істинна тільки на одному наборі, в якому хибні х₁ та х₂, і хибна на решті наборів.

Функції f₁₁(x₁,x₂) і f₁₃(x₁,x₂) називаються імплікаціями: f₁₁(x₁,x₂)=х₁х₂ або f₁₁(x₁,x₂)= – імплікація від х₁ до х₂; f₁₃(x₁,x₂)= =х₂х₁ або f₁₃(x₁,x₂)= – імплікація від х₂ до х₁ .

Функцію f₂(x₁,x₂) називають забороною за х₁ або запереченням імплікації, і записують у вигляді f₂(x₁,x₂)=.

Функцію f₄(x₁,x₂) називають забороною за х₂, і позначають у вигляді f₄(x₁,x₂)=.

Розглянути так само функції трьох аргументів неможливо, оскільки їх кількість становить 256. Проте це не має принципового значення, бо логічну функцію будь-якої кількості змінних можна дістати, застосувавши суперпозицію операцій бульової алгебри до функції меншої кількості змінних.
1.4. ЗАВДАННЯ НА ЛАБОРАТОРНУ РОБОТУ

1.4.1. Вивчити будову стенда.

1.4.2. Дослідити роботу логічних елементів, що мають на лабораторному стенді наступні умовні позначення:
X

а) б) в) г)

1

1

&

&
EZ

=1

1

1