Указания методические к выполнению лабораторной работы по дисциплине Микроэлектроника для направления для направления 210100 «Электроника и микроэлектроника», для специальности 210107 «Электронное машиностроение» Екатеринбург Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ» ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ ТИПА ТТЛ Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине Микроэлектроника для направления для направления 210100 «Электроника и микроэлектроника», для специальности 210107 «Электронное машиностроение» Екатеринбург 2006 УДК 621.37 Составитель И.Н.Тихонов Научный редактор доц., канд.техн.наук В.Н.Гулин ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ ТИПА ТТЛ: Методические указания к лабораторной работе по курсу "Микроэлектроника" / И.Н.Тихонов. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2006. 11 с. В лабораторной работе рассматриваются вопросы построения и испытания цифровых устройств на базе логических микросхем типа ТТЛ. Подготовлено кафедрой "Электронное машиностроение". © «Уральский государственный технический университет – УПИ», 2006 Лабораторная работа №2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ ТИПА ТТЛ 2.1. Цель работы Целью работы является ознакомление с функциями микросхем средней степени интеграции на примере анализа работы простейших ло­гических и триггерных ТТЛ микросхем типа К155ЛР3, К155ТМ2, К155ИР1, К155ИЕ2. 2.2. Порядок выполнения работы 2.2.1. Внимательно ознакомиться с методическим руководством - с методикой проведения эксперимента (раздел 2.3), с основами работы мик­росхем (раздел 2.4), с устройством и принципом работы лабораторного стенда (раздел 2.5), требованиями к отчету (раздел 2.6). 2.2.2. Ответить на вопросы преподавателя по содержанию работы и методике проведения исследований. Получить допуск к практической части работы и номера заданий. 2.2.3. Установить на лабораторном стенде микросхемы и исследо­вать их работу согласно заданию в соответствии с методикой проведения эксперимента (раздел 2.3). 2.2.4. Показать преподавателю работу микросхем и ответить на во­просы по их работе (для каждого задания). 2.2.5. Оформить и сдать отчёт. 2.3. Методика проведения эксперимента 2.3.1. Микросхема устанавливается на специальном лабораторном стенде, описание которого приведено в разделе 2.5. Перед началом работ следует получить комплект микросхем на колодках, подключить стенд к сети и проверкой убедиться в исправности индикаторов и генератора. 2.3.2. Получить у преподавателя номера заданий. В зависимости от сложности заданий и учебной специальности выдается 2-4 задания из табл. 2.1. Установить микросхему на лабораторном стенде и проверить пра­вильность её работы подавая на входы схемы при помощи тумблеров раз­личные комбинации логических сигналов и снимая показания светодио­дов, соответствующие выходным сигналам. Задания для лабораторной работы № 2. Таблица 2.1 Номер задания Содержание задания Примечания 1 Провести анализ рабо­ты микросхемы К155ЛР3 Подавая на входы различные комбинации логических сигналов, составить таблицу со­ответ­ствия (упрощенно) и определить логику работы микросхемы. Записать логическую схему и логиче­ское выражение. 2 Провести анализ работы микросхемы - "черного ящика" Составить таблицу соответ­ствия. Запи­сать логическую схему и логиче­ское выраже­ние. 3 Провести анализ работы микросхемы К155ТМ2 Продемонстрировать работу МС по вхо­дам R, S и D, C. С помощью внешнего соединения преобразовать МС в Т-триггер 4 Провести анализ работы микросхемы К155ИР1 Продемонстрировать работу МС в режиме параллельной и последовательной записи. С помощью внешнего соединения установить режим "бесконечного" сдвига информации по кольцу (бегущий огонь) 5 Провести анализ работы микросхемы К155ИЕ2 Определить, на сколько импульсов и в ка­ком коде (для выводов A, B, C, D) произво­дится счет в 1-м и 2-м положении тумблера 2.3.3. При работе с лабораторным стендом придерживаться сле­дующей последовательности действий: -выключить питание ("сеть"); -установить микросхему на колодке в гнездо стенда; -поставить все тумблеры в "отжатое" положение, т.е. в положение подачи логической "1" на все выводы при отключенном генерато­ре импульсов; -подать сетевое питание на стенд тумблером "ВКЛ"; -подавая согласно заданию сигналы на входы микросхемы с помо­щью тумблеров и генератора импульсов, снять и записать показа­ния светодиодов, соответствующие состояниям на выходе микро­схемы. 2.3.4. После окончания экспериментов проводится обработка результатов, выполняются необходимые рисунки и оформляется отчёт. Внимание! Категорически запрещается пода­вать на выводы, со­от­ветствующие логическим ВЫХО­ДАМ микросхемы, напря­жения логического "0", т.е. подклю­чать к этим выводам генератор и устанавли­вать кнопки в "нажатое" поло­жение. 2.4. Необходимые сведения о работе микросхем Среди микросхем средней степени интеграции очень широкое при­менение нашли микросхемы ТТЛ, изготовленные по планарно-эпитакси­альной технологии на кристаллах кремния с изоляцией элементов p-n пе­реходом и называемые схемами транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Микросхемы ТТЛ первых серий разработки имеют среднее быст­родействие, соответствующее тактовой частоте переключения 10-20 МГц, и достаточно большую потребляемую мощность. Дальнейшее развитие серии ТТЛ идет по пути повышения быстродействия и снижения потреб­ляемой мощности при сохранении основных электрических параметров (уровня сигналов, напряжения питания), структуры и цоколёвки. Прежде всего это касается микросхем ТТЛШ, имеющих во внутренней структуре p-n переходы с барьером Шотки. Следует вспомнить, что эффект Шотки снижает пороговое напряжение открывания кремниевого диода от обыч­ных 0,7 В до 0,2-0,3 В и значительно уменьшает время жизни неосновных носителей в полупроводнике. К микросхемам ТТЛ (ТТЛШ) относится большая группа серий, например К134, К155, К131, К555, К531, К1533, К1531. На лабораторной работе изучаются микросхемы серии К155 - од­ной из первых разработанных серий ТТЛ. Данная серия представлена свыше 100 наименованиями микросхем - от простейших логических эле­ментов до сложных устройств типа счётчиков, регистров, шифраторов, дешифраторов, мультиплексоров, сумматоров, оперативных и постоян­ных запоминающих устройств и др. 2.4.1. Микросхема К155ЛР3 Микросхема К155ЛР3 является комбинацией простейших логиче­ских элементов и предлагается для изучения в качестве "чёрного ящика". Для облегчения исследования микросхемы на рис. 2.1 представлена схема соединения отдельных логических элементов и нумерация выводов. Рис. 2.1. Микросхема К155ЛР3 Задание. Подавая на входы различные комбинации логических сигналов, определить логику работы микросхемы. 2.4.2. Микросхема К155ТМ2 Микросхема К155ТМ2 содержит два неза­ви­симых D-триггера с прямым и инверсным выхо­дами в одном корпусе. Раздельные входы R и S служат для асинхронной (то есть независимой от сигнала на тактовом входе) установки триггера в нулевое и единичное состояния соответствен­но. Ра­бота данного триггера по вхо­дам R и S анало­гична работе RS-триг­гера, рассмотренного на ла­бора­тор­ной работе № 1. При наличии на вхо­дах R и S логи­ческих уровней, соответствующих состоя­нию "запоминания", триггер может пере­ключаться при прохождении такто­вого (стробирующего) сигнала на входе С, если предварительно был из­менен уро­вень на входе D. Нумерация выводов микро­схемы К155ТМ2 приведена на ри­сунке справа. Задание. Продемонстрировать преподавателю работу триггера во всех режимах. Установить, по какому (положительному или отрицатель­ному) фронту тактового импульса про­исходит переключение триггера. С помощью внешнего соединения преобразовать один из триггеров микро­схемы К155ТМ2 в Т-триггер. 2.4.3. Микросхема К155ИР1 Микросхема К155ИР1 - четырёхразрядный, сдвиговый регистр. Он имеет последовательный вход данных S1 (вывод 1), четыре параллельных входа D0-D3 (выводы 2 - 5), и два тактовых входа С1 и С2 (выводы 9 и 8). Вход параллельной загрузки РЕ (вывод 6) служит для выбора режима ра­боты регистра. Если на вход РЕ подается напряжение высокого уровня, то разре­шается работа тактовому входу С2. В момент прихода на этот вход пере­пада тактового импульса в регистр (выходы Q0, Q1, Q2, Q3 - выводы 13-10) загружаются данные от параллельных входов D0-D3. Если на вход РЕ подано напряжение низкого уровня, разрешается работа тактовому входу С1. Фронты тактовых импульсов сдвигают дан­ные от последовательного входа S1 на выход Q0, затем на Q1, Q2 и Q3. Таким образом, регистр может работать в режиме параллельной и последовательной записи информации. Параллельная запись инфор­мации означает запись n-разрядной информации (данных) с n входов на n выходов одно­временно, за один такт. Последовательная запись ин­фор­мации означает запись n-разряд­ной ин­формации (данных) с одного входа на n выходов последовательно за n тактов. Нумерация выводов микро­схемы К155ИР1 приведена на ри­сунке справа. Задание. Продемонстрировать пре­подавателю работу регистра по записи заданного числа в режимах последова­тельной и параллельной записи, опреде­лить, по какому (отрицательному или по­ложитель­ному) перепаду тактового им­пульса происходит запись информации. С помощью внешнего соединения установить режим "бесконечного" сдвига информации по кольцу (бегущий огонь). 2.4.4. Счетчики Соединив последовательно несколько триггерных схем - делителей частоты на два, можно получить простейший многоразрядный двоичный делитель. Более общее название для делителей частоты - счётчики. Коэф­фициент деления счётчика, состоящего из n-триггеров типа Т, составляет 2n, где n - число двоичных разрядов счетчика. В настоящее время исполь­зуется много вариантов счётных схем: асинхронные и синхронные (с од­новременным изменением сигналов на всех выходах); двоичные и деся­тичные (с коэффициентами деления 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16 и т.д.); однона­правленные, только с увеличением счета, и двунаправленные, счет в кото­рых может увеличиваться и уменьшаться (такие счетчики называют ревер­сивными); с постоянным или переключаемым коэффициентом деления. Основой любой из этих схем служит линейка из нескольких тригге­ров. Варианты счётчиков отличаются схемами управления этими тригге­рами. Между триггерами добавляются логические связи, назначение ко­торых - запретить прохождение в цикле счёта лишним импульсам. На­пример, четырехтриггерный счетчик может делить исходную частоту на 16, так как 24=16. Получим минимальный выходной код 0000, а макси­мальный - 1111. Чтобы построить счётчик-делитель на 10, трех триггеров недостаточно (10>23), поэтому десятичный счетчик содержит в своей ос­нове четыре триггера, но имеет обратные связи, останавливающие счёт при коде 9=1001. Микросхема К155ИЕ2 Микросхема К155ИЕ2 - четырехразрядный асинхронный счетчик. Имеет четыре триггера , разделенные на две независимые схемы. Путем коммутации входов и выходов можно получить различные кодовые ком­бинации счета. Счетчик имеет два счётных входа С1 и С2, два входа R (R1 и R2) для асинхронного сброса и два асинхронных входа S (S1 и S2) для предварительной записи в счётчик двоичного кода, соответствующего по­следней цифре счёта. Входы асинхронного сброса R1 и R2 (двухвходовой элемент И) за­прещают действие импульсов по счётным входам и входам установки S. Две "1", поданные на вход R, дают сброс данных по всем триггерам одно­временно. При этом все вы­ходы счёт­чика Qa - Qd уста­навлива­ются в нулевое со­стояние. Две "1" на входах S1 и S2 (двухвходовой элемент И) запрещают прохождение на счётчик импульсов, а так­же сигналов от входов R1 и R2. При этом на выходах счёт­чика Qa - Qd устанавли­ва­ется напряжение выходных уровней, соответствующее последней счётной цифре. Схема подключения микросхемы К155ИЕ2 к ко­лодке показана на рисунке слева. Таким образом при переключении тумблера в положение "1" и "2" счётчик подключается по следую­щим схемам: а) б) Рис. 2.2. Варианты подключения МС К155ИЕ2: а) тумблер в поло­жении "1" (счётный вход - С1); б) тумблер в положении "2" (счётный вход - С2) Задание. Определить, на сколько импульсов и в ка­ком коде (для выводов A, B, C, D) произво­дится счет в 1-м и 2-м положении тумблера. При выполнении задания учесть, что в обоих случаях последова­тельность импульсов преобразуется в неравновесный взвешенный (весовой) код. При составлении таблицы соответствия номеров импульсов и кодовых комбинаций на выходе рекомендуется предварительно произ­водить сброс триггера по входам принудительной установки R или S. 2.5. Устройство лабораторного стенда Лабораторный стенд предназначен для исследования 14-выводных микросхем средней степени интеграции путём подачи на входы заданных уровней логических "0" и "1" или серии импульсов (меандр) от генератора. Стенд выполнен в виде корпуса, на переднюю панель которого выведены разъём для подключения микросхем, тумблеры управления и устройства индикации. На рис. 2.3 упрощенно представлен внешний вид лицевой панели с указа­нием основных элементов. Лабораторный стенд состоит из следующих функциональных блоков: блока питания, генератора импульсов с переключателем выводов, блока индикации, блока механических переключателей и разъёма для подключения колодок с микросхемами. Блок питания обеспечивает постоянное напряжение 5 В, используемое для питания микросхем и схемы установки. Рис. 2.3. Лицевая панель лабораторного стенда Генератор импульсов выделяет серии импульсов для подачи их на входы подключаемой в разъём микросхемы. Серии импульсов предна­значены для работы микросхем с динамическими входами (триггеры, счётчики, регистры). Частота следования импульсов, имеющих форму ме­андра, составляет около 1 Гц. Логическому "0" соответствует уровень на­пряжения не более 0,4 В (0...0,4 В), логической "1" - не менее 2,4 В (2,4...5 В). Подключение генератора производится кнопкой " ". Рядом с кнопкой установлен светодиодный индикатор для контроля выходного сигнала генератора и переключатель выводов, позволяющий подать сиг­нал генератора на любой из выводов МС, ис­ключая выводы питания. Блок механических переключателей представляет собой 12 кнопоч­ных переключателей с независимой фиксацией, позволяющих подавать на выводы МС любую комбинацию "0" и "1". Нажатая кнопка замыкает вы­вод МС на "землю" и тем самым подает на вывод логический "0". В связи с этим не нажимайте кнопки у логических выходов МС, иначе произойдет короткое замыкание выходных элементов МС . Блок индикации состоит из схемы управления и 12 светодиодов, расположенных около кнопочных переключателей. Светодиоды позво­ляют визуально наблюдать за уровнями напряжения входных и выходных сигналов МС. Свечение светодиода соответствует уровню логической "1" на данном выводе. При выполнении заданий рекомендуется опытным путём ознако­миться с явлением "дребезга контактов", характерным для механических переключателей, особенно для низкоскоростных, таких как П2К, приме­нённых в данном лабораторном стенде. Выявить "дребезг контактов" лег­че всего при изучении работы счётчика К155ИЕ2 и сдвигового регистра К155ИР1 в режиме последовательной записи. Для этого следует сравнить результаты работы МС при подаче тактовых (синхронизирующих) им­пульсов от встроенного генератора с результатами работы МС при пода­че тактовых импульсов вручную путем одного или нескольких нажатий кнопки тактового входа при отключенном сигнале генератора. 2.6. Требования к отчёту В отчёте должно быть отражено следующее: 2.6.1. Дата, название работы, фамилии студентов, выполнявших ра­боту. 2.6.2. Задание. 2.6.3. Необходимые рисунки схем, формулы и пояснения. 2.6.4. Заполненные таблицы соответствия или временные диа­граммы. 2.6.5. Выводы по каждому заданию.