Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

 

К.т.н. Набиев Н.К., Киманов Т.А.

Северо-Казахстанский государственный университет, Казахстан

Лабораторный комплекс «Элементы цифровой логики и цифровая схемотехника»

 

Литература:

1.   Горшков Б.И. - Элементы радиоэлектронных устройств. Справочник. – М.: Радио и связь, 1988;

2.   Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. - Цифровые устройства. Учебное пособие для вузов. – СПб.: Политехника, 1996.

 

В статье речь идет о лабораторном комплексе для исследования комбинационных и последовательностных логических устройств.

Актуальность данной статьи не вызывает сомнения, поскольку выполнение лабораторных работ является важным средством усвоения и изучения учебного материала, а также приобретения практических навыков по экспериментальному исследованию.

При разработке принципиальной схемы учитывались достоинства и недостатки существующих подобных лабораторных комплексов. Анализ конструкций, электрических принципиальных схем, методических возможностей современных лабораторных комплексов показал, что они имеют несколько недостатков:

-    широкое применение находят цифровые микросхемы серии К155, уступающие по характеристикам современным микросхемам;

-    отсутствие виртуальной модели.

Наличие виртуальной модели позволяет выполнять лабораторные работы без непосредственного взаимодействия с физической моделью, что в свою очередь незаменимо в процессе дистанционного обучения.

Лабораторный комплекс представляет собой набор логических элементов, с помощью которых осуществляется синтез ряда комбинационных и последовательностных схем.

Макет включает следующие логические элементы (рис. 1):

-    4×2И-НЕ;

-    3×3И-НЕ;

-    8И-НЕ;

-    2×(2×2И-2ИЛИ-НЕ) расширяемый по ИЛИ;

-    4×2И-4ИЛИ-НЕ расширяемый по ИЛИ;

-    Восьми-входовой расширитель по ИЛИ;

-    Синхронные JKRS триггеры;

-    Сумматоры.

 

C:\Users\user\Desktop\untitled.bmp

Рисунок 1 − Внешний вид лабораторного комплекса

 

Такой набор позволяет синтезировать следующие схемы: дешифраторы,  преобразователи кодов,  счетчики, регистры хранения и сдвига, синхронные и асинхронные цифровые автоматы. На лицевой стороне платы нанесены обозначения логических элементов и сделаны необходимые надписи функциональных узлов платы для простоты и удобства использования в учебном процессе.

Стенд позволяет коммутировать между собой входы и выходы всех логических элементов в любых комбинациях. Номер линии выбирается замыканием перемычкой контакта с соответствующим номером на наборном поле.

Структурная схема макета представлена на рис. 2.

 

C:\Users\user\Desktop\Научная статья\Рисунок 1.jpg

Рисунок 2 − Структурная схема лабораторного макета

 

На передней панели расположены 10 светодиодных индикаторов и блок цифровой индикации, тумблер «ВКЛ» с лампочкой индикации «Сеть»; тумблер «ВКЛ +5В». В нижней части наборного поля расположены восемь тумблеров и восемь кнопок без фиксации, которые предназначены для задания логических уровней «0» и «1». Кроме того, для удобства сборки и наладки на передней панели имеются 10 гнезд «Корпус», 10 гнезд «+4,5В», 10 групп по 5 гнезд, 9 групп по 7 гнезд, соединенных между собой в каждой группе.

Генератор сигналов прямоугольной формы собран на двух микросхемах NE555N. На рис. 3 представлена схема генератора [1,113].

 

Рисунок 3 − Генератор прямоугольных импульсов

 

В генераторе предусмотрена регулировка длительности и периода следования импульсов.

Для формирования одиночного импульса в стенде имеется генератор одиночных импульсов (одновибратор), запускаемый нажатием кнопки. На рис. 4 показана схема одновибратора. Одновибратор содержит два логических элемента: первый из них используется в качестве элемента 2И-НЕ, в то время как второй включен по схеме инвертора. Схема  генератора позволяет получить довольно стабильный импульс, без какого-либо влияния дребезга контактов кнопки S1.

 

Рисунок 4 − Генератор одиночного импульса

 

На макете предусмотрена возможность выбора длительности одиночного импульса положением перемычки, путем смены емкости конденсатора С1.

Лабораторный практикум включает в себя 3 лабораторные работы: 1) Синтез комбинационных логических устройств, содержащий 40 рабочих заданий и методические указания; 2) Синтез последовательностных логических устройств, содержащий 30 рабочих заданий и методические указания; 3) Синтез асинхронных автоматов на основе RS-триггеров, содержащий 30 рабочих заданий и методические указания.

Для проверки правильности функционирования на лабораторном макете реализованы примеры синтеза с минимизацией комбинационного устройства, последовательностного устройства на основе синхронных D-триггеров, асинхронного автомата Мили. Также принципиальные схемы синтезируемых устройств проанализированы в среде пакета программ PROTEUS VSM.

Анализ возможностей, предоставляемые макетом в комплексе с виртуальной моделью работы устройств, реализованной в программной среде PROTEUS VSM, позволяет в полной мере приобрести практические навыки, необходимые инженерам в области синтеза логических устройств. Наглядность представления материала позволяет понять суть теоретических сведений, закрепляя полученные знания на практике. В добавление к вышесказанному следует отметить, что только путём выполнения самостоятельных лабораторных работ учащиеся получают полное представление об исследуемом объекте. Только наблюдая и воспроизводя, переходя от неточных и неполных знаний к более полным и точным, создают самостоятельные и устойчивые знания.

Главные достоинства макета − простота реализации, широкое разнообразие синтеза устройств.