ФЕЛЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ Кафедра радиосвязи, радиовещания и телевидения В.А.Галочкин СХЕМОТЕХНИКА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ Методические разработки по лабораторным работам часть 2 Схемотехника цифровых электронных устройств Самара 2016 УДК 621.385 Г Рекомендовано к изданию методическим советом ПГУТИ, протокол № от 2015г Рецензент: ПГУТИ, д.т.н., профессор Тяжев А.И. <...> «Схемотехника цифровых электронных устройств» рассматривается элементная база устройств полупроводниковой электроники; исследуются принципы построения и схемотехника цифровых телекоммуникационных электронных устройств. <...> Список сокращений и обозначений АЛУ - арифметическо-логическое устройство АЦП – аналого-цифровой преобразователь БИС –большая интегральная схема БМК - базовый матричный кристалл ДМДП - динамическая логика на МДП-транзисторах ДТЛ – диодно – транзисторная логика ЗУ – запоминающее устройство ЗУПВ – запоминающее устройство с произвольной выборкой ИИЛ или ЛИ2 – инжекторно – интегральная логика. <...> ИМС - интегральная микросхема ИС - интегральная схема КМДП - логические элементы на комплементарных МДП - транзисторах КМОП - комплементарный полевый транзистор МаБИС – матричная большая интегральная схема МБ – младший байт МДП - структура «металл-диэллектрик-полупроводник» МИС – малая интегральная схема МОП - структура ―металл-окисел-полупроводник‖ МП – микропроцессор МПЦОС – микропроцессор цифровой обработки сигналов НСТЛ - транзисторная логика с непосредственными связями ОЗУ – оперативное запоминающее устройство ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема ПЛМ - программируемая логическая матрица ПМЛ – программируемая матричная логика 5 ППЗУ - однократным программе РПЗУ - постоянное <...>
Схемотехника_телекоммуникационных_устройств_Методические_разработки_к_лабораторным_работам._Ч._2_Схемотехника_цифровых_электронных_устройств.pdf
УДК 621.385
Г
Рекомендовано к изданию методическим советом ПГУТИ,
протокол № от
2015г
Рецензент:
ПГУТИ, д.т.н., профессор Тяжев А.И.
Галочкин В.А.
Г Схемотехника телекоммуникационных устройств. Учебное
пособие. Методические разработки по лабораторным работам. Часть
2. «Схемотехника цифровых электронных устройств». Под редакцией
д.т.н., профессора Елисеева С.Н./ В.А.Галочкин - Самара: ПГУТИ,
2016 - 282 с.
В учебном пособии «Схемотехника телекоммуникационных устройств.
Методические разработки по лабораторным работам. Часть 2.
«Схемотехника цифровых электронных устройств» рассматривается
элементная база устройств полупроводниковой электроники; исследуются
принципы построения и схемотехника цифровых телекоммуникационных
электронных устройств.
Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»;
11.03.01 «Радиотехника» и предназначено для студентов (бакалавров
и специалистов) 3-4-х курсов телекоммуникационных и радиотехнических
специальностей дневной и заочной формы обучения для
проведения лабораторных работ, а также для инженерно-технических
работников, изучающих электронику.
ISBN
©, Галочкин В.А., 2016
Стр.2
часть 2. Схемотехника цифровых электронных устройств
Оглавление
Список сокращений и обозначений ........................................................... 5
ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................... 7
Раздел 1. Подготовка оборудования к выполнению
лабораторных работ. Содержание и оформление отчета
по лабораторной работе. Литература
1.1. Подготовка оборудования к выполнению лабораторных
работ.................................................................................................10
1.2. Требования к содержанию и оформлению отчета по
лабораторной работе ...................................................................... 14
1.3. Данные для построения логарифмической шкалы ............... 16
1.4. Форма титульного листа для отчета
по лабораторной работе ................................................................. 17
1.5. Литература ............................................................................... 18
Раздел 2. Тема: современные базовые элементы цифровой
техники. Краткие теоретические сведения
2.1. Логический элемент «И» .......................................................................... 20
2.2. Логический элемент «ИЛИ» ................................................... 24
2.3. Логический элемент «НЕ» (инвертор) ................................... 27
2.4. Логическое двойное инвертирование .................................... 28
2.5. Логические элементы «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ»,
«исключающее ИЛИ»
2.5.1. Логический элемент «И-НЕ» (инвертированное «И») ..... 29
2.5.2. Логический элемент «ИЛИ-НЕ»(отрицание «ИЛИ») ...... 31
2.5.3. Логический элемент «исключающее ИЛИ» ....................... 33
2.6. Свойства и сравнительные характеристики
современных базовых элементов. Способы представления
информации .................................................................................... 36
2.7. Основные требования к базовым логическим
элементам ........................................................................................ 38
2.7.1.Совместимость уровней входных и выходных
сигналов ...........................................................................................39
2.7.2. Нагрузочная способность логического элемента ............. 40
2.7.3. Формирующие свойство логического элемента
(квантование сигнала) ................................................................... 41
2.8. Помехоустойчивость логических элементов.
В.А.Галочкин
Схемотехника телекоммуникационных устройств
Лабораторный практикум
271
Стр.271
часть 2. Схемотехника цифровых электронных устройств
Быстродействие логических элементов. Классификация
логических устройств
2.8.1.Помехоустойчивость логических элементов ..................... 43
2.8.2. Быстродействие логического элемента ............................ 45
2.9. Классификация логических устройств .................................. 46
2.9.1. Классификация по способу ввода-вывода
информации ..................................................................................... 46
2.9.2.Классификация по принципу действия ................................ 47
2.9.3. Классификация по схемотехническим
решениям ......................................................................................... 47
2.10. Схемотехника цифровых интегральных схем
Схемотехника логических элементов
2.10.1. Ключ на биполярном транзисторе ................................... 50
2.10.2. Транзисторная логика с непосредственными
связями (НСТЛ) ............................................................................... 52
2.10.3. Схема РТЛ (транзисторная логика
с резистивной связью) .................................................................... 53
2.10.4. Схема ДТЛ (диодно-транзисторной логики) ................... 54
2.10.5. ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) .................. 56
2.10.6. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) ................................ 57
2.10.7. Логические элементы с инжекционным
питанием (И2Л) .............................................................................. 59
2.10.8. Логические элементы на полевых транзисторах .......... 62
2.10.8.1. Ключ на МДП-транзисторах с динамической
нагрузкой ......................................................................................... 63
2.10.8.2 Логические элементы на комплементарных МДП -
транзисторах (КМДП) .................................................................. 66
2.10.8.3. Динамическая логика на МДП-транзисторах .............. 69
2.11. Сравнение параметров основных типов интегральных
логических схем .............................................................................. 70
2.12. Экспериментальная проверка основных положений
Лабораторная работа № 2-1
Принципы построения и функционирования базовых
логических элементов«И», «НЕ», «двойного
инвертирования», «И-НЕ»
1. Цель работы ................................................................................ 71
2. Краткое изложение теоретических сведений........................... 71
В.А.Галочкин
272
Схемотехника телекоммуникационных устройств
Лабораторный практикум
Стр.272
часть 2. Схемотехника цифровых электронных устройств
3. Литература .................................................................................. 71
4. Домашнее задание студентам для подготовки
к выполнению лабораторной работы............................................ 71
5. Подготовка оборудования к выполнению лабораторной
работы .............................................................................................. 72
6. Исследование базового логического элемента «И» ................ 73
7. Исследование базового логическогоэлемента «НЕ»
(инвертор) ........................................................................................ 75
8. Исследование базового логического элемента «двойное
инвертирование» ............................................................................. 76
9. Исследование базового логического элемента «И-НЕ» ......... 78
10. Исследование схем логических элементов с помощью
логического анализатора................................................................ 80
11. Содержание отчета ................................................................... 83
12. Контрольные вопросы к зачету по лабораторной работе ..... 84
Лабораторная работа № 2-2
Принципы построения и функционирования базовых
логических элементов «ИЛИ», «ИЛИ-НЕ»,
«исключающее ИЛИ»
1. Цель работы ................................................................................ 86
2. Краткое изложение теоретических сведений........................... 86
3. Литература .................................................................................. 86
4. Домашнее задание студентам для подготовки
к выполнению лабораторной работы............................................ 86
5. Подготовка оборудования к выполнению лабораторной
работы .............................................................................................. 87
6. Исследование базового логического элемента «ИЛИ» ........... 88
7. Исследование базового логического элемента «ИЛИ-НЕ» .... 90
8. Исследование базового логического элемента
«исключающее ИЛИ» .................................................................... 92
9. Исследование схем логических элементов с помощью
логического анализатора................................................................ 94
10. Содержание отчета ................................................................... 97
11. Контрольные вопросы к зачетупо лабораторной работе ...... 97
Раздел 3. Тема: коды. Преобразователи кодов. Шифраторы.
Мультиплексоры. Краткие теоретические сведения
3.1. Двоично – десятичный код 8421 .......................................... 100
В.А.Галочкин
Схемотехника телекоммуникационных устройств
Лабораторный практикум
273
Стр.273
часть 2. Схемотехника цифровых электронных устройств
3.2. Код с избытком 3 ................................................................... 102
3.3. Код Грея ................................................................................. 103
3.4. Преобразователи кодов ......................................................... 103
3.5. Шифраторы. Дешифраторы. Мультиплексоры.
Демультиплексоры ....................................................................... 104
3.5.1. Шифраторы и дешифраторы .......................................... 106
3.5.2. Мультиплексоры и демультиплексоры ............................ 110
3.6. Экспериментальная проверка основных положений
Лабораторная работа № 3-1
Принципы построения и функционирования устройств
преобразования кодов (шифраторов и дешифраторов)
1. Цель работы .............................................................................. 116
2. Краткое изложение теоретических сведений......................... 116
3. Литература ................................................................................ 116
4. Домашнее задание студентам для подготовки
к выполнению лабораторной работы.......................................... 116
5. Подготовка оборудования к выполнению лабораторной
работы ............................................................................................ 117
6. Исследования принципов построения и
функционирования шифраторов ................................................. 118
7. Исследования принципов построения и
функционирования дешифраторов ............................................. 120
8. Содержание отчета ................................................................... 123
9. Контрольные вопросы к зачету по лабораторной работе ..... 123
Раздел 4. Тема: триггеры. Схемы фиксаторов.
Запуск триггеров. Краткие теоретические сведения ....................... 125
4.1. RS-триггер (асинхронный) ................................................... 127
4.2. Синхронный (тактируемый) RS-триггер ............................. 130
4.3. D-триггер (триггер с задержкой) ......................................... 133
4.4. D-триггеры с дополнительными входами ......................... 135
4.5. JK-триггеры. Схемы фиксаторов. Запуск триггеров.
JK-триггер (ждущий мультивибратор) ....................................... 137
4.6. JK-триггер с дополнительными входами ............................ 138
4.7. Схемы фиксаторов ................................................................. 139
4.8. Запуск триггеров .................................................................... 142
4.8.1. Триггеры с управлением (запуском) или
по фронту или по срезу тактового импульса............................ 142
В.А.Галочкин
274
Схемотехника телекоммуникационных устройств
Лабораторный практикум
Стр.274
часть 2. Схемотехника цифровых электронных устройств
4.8.2. Триггеры типа ведущий/ведомый (триггеры
с динамическим управлением) ..................................................... 145
4.9. Экспериментальная проверка основных положений
Лабораторная работа № 4-1
Принципы построения и функционирования
триггеров. Асинхронный RS-триггер (фиксатор)
1. Цель работы .............................................................................. 147
2. Краткое изложение теоретических сведений......................... 147
3. Литература ................................................................................ 147
4. Домашнее задание студентам для подготовки
к выполнению лабораторной работы.......................................... 147
5. Подготовка оборудования к выполнению
лабораторной работы ................................................................... 148
6. Исследование принципов построения и работы
асинхронного RS-триггера (фиксатора)..... ............................... 149
7. Исследование схемы асинхронного RS-триггера
с помощью логического анализатора ......................................... 152
8. Содержание отчета ................................................................... 155
9. Контрольные вопросы к зачету по лабораторной работе ..... 156
Лабораторная работа № 4-2
Принципы построения и функционирования триггеров.
Синхронный RS-триггер
I. Цель работы ............................................................................... 157
2. Краткое изложение теоретических сведений......................... 157
3. Литература ................................................................................ 157
4. Домашнее задание студентам для подготовки
к выполнению лабораторной работы.......................................... 157
5. Подготовка оборудования к выполнению лабораторной
работы ............................................................................................ 158
6. Исследование принципов построения
и функционирования синхронного (тактируемого)
RS-триггера ................................................................................... 159
7. Исследование схемы синхронного RS-триггера
с помощью логического анализатора ......................................... 162
8. Содержание отчета ................................................................... 167
9. Контрольные вопросы к зачету по лабораторной работе ..... 167
В.А.Галочкин
Схемотехника телекоммуникационных устройств
Лабораторный практикум
275
Стр.275
часть 2. Схемотехника цифровых электронных устройств
Лабораторная работа № 4-3
Принципы построения и функционирования триггеров.
D-триггер (триггер с задержкой)
1. Цель работы .............................................................................. 169
2. Краткое изложение теоретических сведений......................... 169
3. Литература ................................................................................ 169
4. Домашнее задание студентам для подготовки
к выполнению лабораторной работы.......................................... 169
5. Подготовка оборудования к выполнению
лабораторной работы ................................................................... 170
6. Исследование принципов построения
и функционирования D-триггера (триггера с задержкой) ........ 171
7. Исследование схемы асинхронного D-триггера
с помощью логического анализатора ......................................... 174
7. Содержание отчета ................................................................... 177
8. Контрольные вопросы к зачету по лабораторной работе ..... 177
Лабораторная работа № 4-4
Принципы построения и функционирования триггеров.
D-триггер с дополнительными входами
1. Цель работы .............................................................................. 179
2. Краткое изложение теоретических сведений......................... 179
3. Литература ................................................................................ 179
4. Домашнее задание студентам для подготовки
к выполнению лабораторной работы.......................................... 179
5. Подготовка оборудования к выполнению
лабораторной работы ................................................................... 180
6. Исследование принципов построения и
функционирования D-триггера с дополнительными
входами .......................................................................................... 181
7. Исследование схемы D-триггера с дополнительными
входами в синхронном и асинхронном режимах
с помощью логического анализатора ......................................... 185
8. Контрольные вопросы к зачетупо лабораторной работе ...... 188
Лабораторная работа № 4-5
Принципы построения и функционирования триггеров.
JK-триггер с дополнительными входами
1. Цель работы .............................................................................. 191
В.А.Галочкин
276
Схемотехника телекоммуникационных устройств
Лабораторный практикум
Стр.276
часть 2. Схемотехника цифровых электронных устройств
2. Краткое изложение теоретических сведений......................... 191
3. Литература ................................................................................ 191
4. Домашнее задание студентам для подготовки ...................... 191
к выполнению лабораторной работы.......................................... 191
5. Подготовка оборудования к выполнению
лабораторной работы ................................................................... 192
6. Исследование принципов построения и
функционирования JK -триггерас дополнительными
входами .......................................................................................... 193
7. Исследование схемы D-триггера с дополнительными
входами с помощью логического анализатора .......................... 197
8. Содержание отчета ................................................................... 199
9. Контрольные вопросы к зачету
по лабораторной работе ............................................................... 199
Раздел 5. Тема: счетчики. Краткие теоретические сведения ...... 206
5.1. Счетчики со сквозным переносом ....................................... 207
5.2. Асинхронный счетчик по модулю 10 .................................. 209
5.3. Синхронные счетчики ........................................................... 210
5.4. Вычитающие счетчики .......................................................... 212
5.5. Асинхронный трехразрядный счетчик
по модулю 8 .................................................................................. 212
5.6. Самоостанавливающиеся счетчики ..................................... 213
5.7. Экспериментальная проверка основных положений
Лабораторная работа № 5-1
Принципы построения и функционирования
счетчиков. Суммирующий самоостанавливающийся
двоичный счетчик
1. Цель работы .............................................................................. 215
2. Краткое изложение теоретических сведений......................... 215
3. Литература ................................................................................ 215
4. Домашнее задание студентам для подготовки
к выполнению лабораторной работы.......................................... 215
5. Подготовка оборудования к выполнению
лабораторной работы ................................................................... 216
6. Исследование принципов построения и
функционирования самоостанавливающегося
суммирующего двоичного счетчика ........................................... 217
В.А.Галочкин
Схемотехника телекоммуникационных устройств
Лабораторный практикум
277
Стр.277
часть 2. Схемотехника цифровых электронных устройств
7. Содержание отчета ................................................................... 222
8. Контрольные вопросы к зачету ............................................... 223
по лабораторной работе ............................................................... 223
Лабораторная работа № 5-2
Принципы построения и функционирования счетчиков.
Вычитающий двоичный счетчик
1. Цель работы .............................................................................. 224
2. Краткое изложение теоретических сведений......................... 224
3. Литература ................................................................................ 224
4. Домашнее задание студентам для подготовки
к выполнению лабораторной работы.......................................... 224
5. Подготовка оборудования к выполнению
лабораторной работы ................................................................... 225
6. Исследование принципов построения и
функционирования вычитающего двоичного счетчика............ 226
8. Содержание отчета ................................................................... 231
9. Контрольные вопросы к зачету по лабораторной работе ..... 232
Раздел 6. Тема: сопряжение цифровых и аналоговых устройств.
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Краткие
теоретические сведения ............................................................................... 233
6.1. Цифроаналоговые преобразователи .................................... 234
6.2. Общая структурная схема ЦАП ........................................... 236
6.3. Основная схема простого ЦАП ............................................ 237
6.4. Цифроаналоговый преобразователь
лестничного типа .......................................................................... 238
6.5. Сопряжение цифровых и аналоговых устройств.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) ............................. 240
6.5.1. Базовая структурная схема аналого-цифрового
преобразователя (АЦП) ............................................................... 242
6.5.2. Структурная схема АЦП с динамической
компенсацией ................................................................................ 244
6.5.3. Интегрирующий АЦП ........................................................ 245
6.5.4. АЦП последовательного приближения ............................ 247
6.6. Характеристики АЦП и ЦАП ............................................... 249
В.А.Галочкин
278
Схемотехника телекоммуникационных устройств
Лабораторный практикум
Стр.278
часть 2. Схемотехника цифровых электронных устройств
6.7. Экспериментальная проверка основных положений
Лабораторная работа № 6-1
Принципы построения и функционирования устройств
ЦАП и АЦП»
1. Цель работы .............................................................................. 254
2. Краткое изложение теоретических сведений......................... 254
3. Литература ................................................................................ 254
4. Домашнее задание студентам для подготовки
к выполнению лабораторной работы.......................................... 254
5. Подготовка оборудования к выполнению
лабораторной работы ................................................................... 255
6. Исследование цифро-аналогового преобразователя с
взвешивающей резистивной матрицей ....................................... 256
7. Исследование цифро-аналогового преобразователя с
резистивной матрицей R-2R ........................................................ 259
8. Исследование аналого-цифрового преобразователя ............. 260
9. Исследование двойного преобразования
(АЦП-ЦАП). .................................................................................. 262
10. Содержание отчета ................................................................. 267
11. Контрольные вопросы к зачету по лабораторной работе ... 267
12. Приложение: пояснения для схемы АЦП ............................ 269
В.А.Галочкин
Схемотехника телекоммуникационных устройств
Лабораторный практикум
279
Стр.279