Исследование элементарных логических элементов: Методические указания к лабораторной работе по дисциплине ''Автоматизация технологических процессов'' для студентов специальности 160201 ''Самолето- и вертолетостроение''

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Методические указания

Ульяновск 2006

1

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Автоматизация технологических процессов» для студентов специальности 160201 «Самолетои вертолетостроение»

Составители В. П. Туробов С. Н. Ларин

Ульяновск 2006

2

УДК 681.325.023(076) ББК 32.97я7 И89 Рецензенты: профессор кафедры «Самолетостроение», доктор техн. наук П. М. Попов; начальник научно-исследовательской лаборатории ФНПЦ ОАО «НПО “Марс”», кандидат техн. наук А. А. Тарасов. Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета.

Исследование элементарных логических элементов: методические И89 указания к лабораторной работе по дисциплине «Автоматизация технологических процессов» для студентов специальности 160201 «Самолетои вертолетостроение» / сост. В. П. Туробов, С. Н. Ларин. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – 20 с. Методические указания содержат сведения о проведении лабораторной работы «Исследование элементарных логических элементов» по дисциплине «Автоматизация технологических процессов», в которой изучаются типовые устройства элементарных логических элементов, исследуются их функции и некоторые характеристики. Структурное построение работы позволяет обеспечить самостоятельное выполнение заданий каждым студентом в составе бригады. Работа подготовлена на кафедре «Самолетостроение».

УДК 681.325.023(076) ББК 32.97я7 © Туробов В. П., Ларин С. Н., составление, 2006 © Оформление. УлГТУ, 2006

3

Содержание Цели и задачи лабораторной работы................................................................... Сведения из теоретических основ ....................................................................... Общие требования к выполнению лабораторной работы ................................ Состав оборудования для проведения лабораторной работы .......................... Описание лабораторного стенда.......................................................................... Порядок выполнения лабораторной работы ...................................................... Требования к отчету по лабораторной работе ................................................... Защита работы и использование отчетов............................................................ Контрольные вопросы........................................................................................... Библиографический список.................................................................................. Приложение 1 ....................................................................................................... Приложение 2 ....................................................................................................... Приложение 3 ....................................................................................................... Приложение 4 ....................................................................................................... Приложение 5 ....................................................................................................... Приложение 6 ....................................................................................................... Приложение 7 ....................................................................................................... Приложение 8 ....................................................................................................... Приложение 9 ....................................................................................................... Приложение 10 .....................................................................................................

4 4 5 6 6 7 9 9 9 9 11 12 12 13 14 15 16 17 18 19

4

Цель и задачи лабораторной работы Выполнение лабораторной работы преследует цель закрепить теоретический курс дисциплины «Автоматизация технологических процессов» по теме «Управляющие системы АСУ ТП» с формированием практических навыков экспериментальных исследований. Достижение цели лабораторной работы осуществляется решением следующих задач: − изучение элементов и типовых устройств базовой системы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) ЦВТ; − практическое формирование таблиц истинности; − экспериментальное исследование функционирования элемента; − выработка навыков в составлении отчета. Сведения из теоретических основ В ЭВМ информация подвергается не только арифметической, но и логической обработке. Основу работы логических схем и устройств ЭВМ составляет специальный математический аппарат, называемый алгеброй логики или исчислением высказываний. При этом под высказыванием понимается любое утверждение, о котором можно сказать, что оно истинно или ложно. В логике высказываний интересуются не содержанием высказываний, а только их истинностью или ложностью; никакие другие признаки высказываний в алгебре логики не рассматриваются. Одно и тоже высказывание не может быть одновременно истинным и ложным или не истинным и не ложным. Если высказывание истинно, то считают что его значение равно единице; если высказывание ложно, то считают, что его значение равно нулю. Таким образом, значение высказываний можно рассматривать как переменную величину, принимающую только два дискретных значения: 0 или 1. Это приводит к полному соответствию между логическими высказываниями в математической логике и двоичными цифрами в двоичной системе счисления, это позволяет описывать работу логических схем ЭВМ, проводить их анализ и синтез с помощью математического аппарата алгебры логики. Множество логических функций между высказываниями можно представить совокупностью трех элементарных логических функций: − конъюнкция (логическое умножение или операция И); − дизъюнкция (логическое сложение или операция ИЛИ); − отрицание (операция НЕ). Конъюнкция (логическое умножение или операция И) переменных х1, х2 обращается в единицу только в том случае, если аргументы х1, х2 одновременно равны единице, и в нуль – во всех остальных случаях. Обозначается конъюнкция знаком ∧ , который читается как И. Значение

5

конъюнкции для заданных аргументов находится по правилам логического умножения: 0 ∧ 0=0; 0 ∧ 1=0; 1 ∧ 0=0; 1 ∧ 1=1. Дизъюнкция переменных х1 и х2 обращается в нуль только в том случае, если аргументы х1 и х2 одновременно равны нулю и единице, если хотя бы один аргумент равен единице. Обозначается дизъюнкция знаком ∨ , который читается как ИЛИ. Значение дизъюнкции для заданных аргументов находится по правилам логического сложения: 0 ∨ 0=0; 0 ∨ 1=1; 1 ∨ 0=1; 1 ∨ 1=1. Отрицание обращает в единицу, если аргумент х равен нулю, и равен нулю, если аргумент равен единице, т. е.: 1= 0. 0 = 1; Общие требования к выполнению лабораторной работы

Прежде чем начинать работать в лаборатории, каждый студент должен ознакомиться с действующей инструкцией по технике безопасности, имеющейся в лаборатории. Инструктаж по технике безопасности проводит преподаватель 1 раз в семестр перед началом работ в лаборатории, после чего каждый студент ставит свою подпись в журнале инструктажа. Студент, не выполнивший эти требования или нарушивший требования техники безопасности в процессе работы, от занятий в лаборатории отстраняется. К лабораторной работе допускаются студенты, ознакомившиеся с описанием работы, лабораторного стенда, измерительных приборов и предельно допустимых параметров установок и приборов. Работа студентов разрешается только на исправном оборудовании. На неисправном оборудовании вывешивается знак, запрещающий его использование. Выполнять работу можно только бригадой, состоящей не менее, чем из двух человек. Собирать и изменять схему можно только при полностью снятом напряжении и с разрешения преподавателя. Сборку схемы осуществляет один из членов бригады, второй его контролирует. Собрав и проверив схему и установив все органы управления в исходное положение, доложить преподавателю о готовности к работе. Разрешение на включение питания дает преподаватель после проверки схемы. Выполнив тот или иной этап работы, необходимо выключить питание и, показав результаты измерений преподавателю, получить разрешение на требуемые изменения в схеме. Сделав изменения в схеме, необходимо вновь показать ее преподавателю и получить его разрешение на подачу питания для дальнейших исследований.

6

При обнаружении неисправности или при возникновении неясности в проведении работы необходимо немедленно выключить питание и обратиться к преподавателю. По окончании работы необходимо разобрать схему, все элементы управления перевести в исходное положение, соединительные проводники уложить в отведенное для них место, сдать рабочее место и оборудование преподавателю. Запрещается: − касаться оголенных проводников и неизолированных частей аппаратуры; − включать оборудование без предварительной проверки его преподавателем; − производить переключение в схемах, находящихся под напряжением, если это не указано в инструкциях к работе; − оставлять без наблюдения установки находящиеся под напряжением; − снимать и перевешивать предупреждающие знаки; − использовать оборудование не по назначению, превышать номинальные параметры; − покидать лабораторию, не сдав рабочее место и оборудование преподавателю. Состав оборудования для проведения лабораторной работы

1. Лабораторный стенд 1 шт. 2. Соединительные провода с наконечниками 20 шт. 3. Провод заземления 1 шт. 4. Модули с исследуемыми интегральными микросхемами (приложения 6–10). Описание лабораторного стенда

Структурная схема лабораторного стенда приведена в приложении 1. Лабораторный стенд содержит три однотипных блока коммутации и воздействия (Блок 1; Блок 2; Блок 3), линейку индикации ЛИ и вольтметр В со шкалой (0….5 В), имеющего гнезда для подключения проводов. Каждый из блоков имеет: розетку (Х1; Х2; Х3) для подключения исследуемого модуля с микросхемой; устройство входных воздействий, состоящее из линейки триггеров (ЛТг1; ЛТг2; ЛТг3) и тумблерно-кнопочной линейки (ТКЛ1; ТКЛ2; ТКЛ3), коммутационное поле из трех розеток (Х4-Х12 для проведения необходимых соединений в процессе проведения лабораторной работы. Розетки Х1; Х2; Х3 имеют соединения одноименных контактов с соответствующими розетками Х5; Х8; Х11.

7

Входные воздействия подаются с ТКЛ на соответствующие контакты розеток Х4; Х7; Х10. Воздействия от кнопок «0» подаются на контакты « ∏ » и « Χ », при этом на контакте « ∏ » при отпущенной кнопке генерируется уровень логического нуля, а при нажатой – логической единицы, на контакте « Χ » при отпущенной кнопке генерируется уровень логической единицы, а при нажатой – логического нуля. Контакты розеток Х6; Х9; Х12 связаны одноименными 4-мя разрядами ЛИ. 1. При выполнении лабораторной работы необходимо соблюдать следующие правила: 2. Контакты розеток Х4; Х7; Х10 можно соединять только с входными контактами исследуемого модуля или контактами розеток Х6; Х9; Х12. Запрещается соединять их между собой, а также с выходными контактами исследуемого модуля. 3. Исследуемые модули устанавливаются только в розетки Х1; Х2; Х3. 4. Все необходимые соединения производятся на полях розеток блока 1 – Х4; Х5; Х6, блока 2 – Х7; Х8; Х9, блока 3 – Х10; Х11; Х12. 5. Подключение вольтметра для измерения уровней напряжения производится путем соединения гнезд вольтметра соединительными проводниками с исследуемыми точками схемы, при этом гнездо с обозначением «┴» соединяется с точками схемы одноименного обозначения. 6. Подача питания на схему производиться путем включения тумблера «Сеть» с контролем зажигания одноименной индикации. Порядок выполнения лабораторной работы

Лабораторная работа состоит из 3 разделов. 1. Изучение лабораторного стенда и проверки его функционирования

Изучение лабораторного стенда и знание его функционирования оценивается перед началом экспериментальной части работы. Проверка функционирования состоит из проверки работы схем воздействия и проверки работы схем индикации. Проводите ее в следующем порядке: 1. Проверьте заземление стенда и подайте питание. 2. Соедините один из входов ЛИ блока 1 поочередно с каждым контактом выхода схемы воздействия и манипулируя соответствующими органами «Вх4» оцените работоспособность выходов Х4. 3. Повторите эту операцию для блока 2 и блока 3.

8

4. Соедините один из выходов схемы воздействия блока 1 поочередно с каждым входом ЛИ, и манипулируя органом выбранного разряда, оцените работоспособность входов Х6. 5. Повторите эту операцию для блока 2 и блока 3. 6. Выключите питание стенда. 7. Сделайте вывод об исправности лабораторного стенда и доложите об этом преподавателю для разрешения перехода к следующему разделу. 2. Исследование уровня логических сигналов

Исследование уровней логических сигналов заключается в измерении их и определении значения пределов. Выполните его в следующем порядке: 1. Выберите произвольно по 4 контакта розеток Х4; Х7; Х10 и вольтметром поочередно измерьте на них уровни логических сигналов для состояния «0» и «1» при подключенном разряде ЛИ. 2. Измеренные значения занесите в таблицу согласно приложению 2. 3. Используя значения уровней напряжения таблицы 1, определите его минимальное, среднее и максимальное значение для логической единицы и логического нуля. Выключите питание стенда. 4. Сделайте вывод о предельных значениях напряжений логических сигналов. 3. Исследование функционирования логических элементов

Исследования функционирования логических элементов заключается в изучении функции логических элементов, составлении таблицы истинности и экспериментального исследования функционирования логических элементов. Выполните его в следующем порядке: 1. Получите задание от преподавателя о типах исследуемых схем. 2. Изучите их функции и составьте схему подключения к лабораторному стенду согласно приложению 3. При этом все входы микросхем должны быть подключены к выходам блоков входных воздействий (Х4; Х7; Х10), а все выходы – ко входам блока индикации (Х6; Х9; Х12). 3. Составьте таблицу истинности схемы согласно приложению 4. 4. Соберите схему и установите исследуемую микросхему в соответствующий разъем (Х1; Х2; Х3). 5. Покажите собранную схему преподавателю и после его разрешения подайте питание. 6. Манипулируя тумблерами соответствующей линейки (Вх4; Вх7; Вх10) в соответствии с таблицей истинности проверьте по соответствующей индикации правильность функционирования логических элементов.

9

7. Выключите питание стенда. 8. Сделайте вывод о выполняемой схемой функции и соответствии между экспериментально полученной и составленной таблицей истинности. Разберите схему. Требования к отчету по лабораторной работе

Отчет о лабораторной работе выполняется каждым студентом индивидуально. Результаты исследований в нем записываются те, которые получены в процессе выполнения работы бригадой. Выводы каждый студент делает индивидуально. Отчет должен содержать: 1. титульный лист (приложение 5); 2. разделы работы; 3. общие выводы о работе; 4. подпись студента, составившего отчет. Все разделы отчета должны иметь нумерацию, наименование и оканчиваться выводами. Первый раздел должен содержать схему стенда с указанием названий элементов, способ проверки и ее результаты. Второй раздел должен содержать таблицу и необходимые расчеты. Третий, четвертый, пятый разделы должны содержать тип и название микросхем, схемы подключения микросхем с описанием назначения выводов и таблице по каждой исследуемой микросхеме. Защита работы и использование отчетов

Защита лабораторной работы осуществляется бригадой студентов или каждым студентом индивидуально и включает в себя: − представление отчетов (отчета); − ответы на вопросы преподавателя. По результатам защиты преподаватель делает отметку на титульном листе о защите работы и ставит свою подпись и дату. После защиты отчеты хранятся у студентов до окончания текущего семестра и могут быть потребованы для представления на экзамен по курсу «Автоматизация технологических процессов». Контрольные вопросы

1. Каковы элементарные логические функции? 2. Каковы уровни логических сигналов и помехоустойчивость ТТЛ?

10

3. Что такое комбинационная схема и чем определяется функционирование? 4. Каковы принципы представления информации в ЦВМ?

ее

Библиографический список

1. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы / В. Л. Шило. – М.: Радио и связь, 1988. 2. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: справочник / под редакцией С. В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1990. 3. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике: справочник / под ред. Б. Н. Файзулаева. – М.: Радио и связь, 1986.

11

Приложение1 В

ЛИ «1-4 р»

ЛТг1

«Вх4» ТКЛ1

ЛТг2

«Вх7» ТКЛ2

«Х12»

«Х10»

«Х3»

«Х9»

«Х8»

«Х7»

«Х2»

«Х6»

«Х5»

«Х4»

«Х1»

«1-4 р»

«Х11»

«1-4 р»

ЛТг3

«Вх10» ТКЛ3

Структурная схема лабораторного стенда

Приложение 2

12

Таблица уровней логических сигналов Х4

Разъемы Контакты U0 U1

Х7

Х10

Приложение 3 X4 Назначен.

№ Конт.

Вх. 1 (1)

1

1

Вх. 2 (1)

2

2

Вх. 1 (2)

3

4

X5 &

& Вх. 2 (2)

4

5

Вх. 1 (3)

5

9

Вх. 2 (3)

6

10

Вх. 1 (4)

7

12

8

13

Вх. 2 (4)

&

&

X6

3

№ Конт.

Назначен.

1

Вых. 1

2

Вых. 2

3

Вых. 3

4

Вых. 4

6

8

11

Схема подключения микросхемы 133ЛИ1

Приложение 4

13

Таблица истинности микросхемы 133 ЛИ1 Вх-Вых № ввода МС

Входы 1

2

4

Разъем

5

Выходы 9

10

12

13

3

Х4

6

8

11

Х6

№ слова – № Конт.

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

3

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

4

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

….

…. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ….

N

Приложение 5

14

Ульяновский государственный технический университет Институт авиационных технологий и управления Кафедра «Самолетостроение»

Лабораторная работа «Исследование элементарных логических элементов»

Составил студент(ы)___________________________ (подпись, ФИО)

Работа принята с оценкой /_________________/ Преподаватель ____________________________ (подпись, ФИО)

/________/_____________2006

Ульяновск 2006 Приложение 6

15

Микросхема 133 ЛИ1 « 4 логических элемента 2И» 1

& 3

2 4

& 6

5 9

& 8

10 12

& 11

13

Схема и нумерация выводов Назначение выводов: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

− − − − − − − − − − − − − −

1 вход элемента 1 2 вход элемента 1 выход элемента 1 1 вход элемента 2 2 вход элемента 2 выход элемента 2 общий выход элемента 3 1 вход элемента 3 2 вход элемента 3 выход элемента 4 1 вход элемента 4 2 вход элемента 4 питание 5 В Приложение 7

16

Микросхема 133 ЛЕ1 « 4 логических элемента 2ИЛИ- НЕ» 2

1 1

3 5

1 4

6 8

1 10

9 11

1 13

12

Схема и нумерация выводов Назначение выводов: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

− − − − − − − − − − − − − −

выход элемента 1 1 вход элемента 1 2 вход элемента 1 выход элемента 2 1 вход элемента 2 2 вход элемента 2 общий 1 вход элемента 3 2 вход элемента 3 выход элемента 3 1 вход элемента 4 2 вход элемента 4 выход элемента 4 питание 5 В Приложение 8

17

Микросхема 133 ЛЛ1 « 4 логических элемента 2ИЛИ» 1

1 3

2 4

1 6

5 9

1 8

10 12

1 11

13

Схема и нумерация выводов Назначение выводов: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

− − − − − − − − − − − − − −

1 вход элемента 1 2 вход элемента 1 выход элемента 1 1 вход элемента 2 2 вход элемента 2 выход элемента 2 общий выход элемента 3 1 вход элемента 3 2 вход элемента 3 выход элемента 4 1 вход элемента 4 2 вход элемента 4 питание 5 В Приложение 9

18

Микросхема 133 ЛА2 « Логический элемент 8И-НЕ» 1

&

2 4 8

5 6 11 12

Схема и нумерация выводов Назначение выводов: 1 2 3 4 5 6 7 8 11 12 14

− − − − − − − − − − −

1 вход элемента 2 вход элемента 3 вход элемента 4 вход элемента 5 вход элемента 6 вход элемента общий выход элемента 7 выход элемента 8 вход элемента питание 5 В

Приложение 10

19

Микросхема 133 ЛА3 « 4 логических элемента 2И-НЕ» 1

& 3

2 4

& 6

5 9

& 8

10 12

& 11

13

Схема и нумерация выводов Назначение выводов: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

− − − − − − − − − − − − − −

1 вход элемента 1 2 вход элемента 1 выход элемента 1 1 вход элемента 2 2 вход элемента 2 выход элемента 2 общий выход элемента 3 1 вход элемента 3 2 вход элемента 3 выход элемента 4 1 вход элемента 4 2 вход элемента 4 питание 5 В

20

Учебное издание ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Методические указания Составители: ТУРОБОВ Валерий Павлович ЛАРИН Сергей Николаевич Редактор О. А. Фирсова Подписано в печать 28.03.06. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл.-печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 0,90. Тираж 100 экз. Заказ Ульяновский государственный технический университет 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32. Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32.