Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
- 8 -
Ростовский государственный университет
Кафедра радиофизики
Лаборатория импульсных и цифровых устройств
«УТВЕРЖДАЮ»
зав. кафедрой,
доцент Иванов В.Н.
«Измерение параметров цифровых интегральных схем и исследование формирователей импульсов на их основе»
Составил Орлов С.В.
2002г.
Цель работы: Изучить схему базового элемента транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), определение и методику измерения его основных параметров. Изучить устройство и исследовать работу генераторов, расширителя и укоротителя импульсов на основе цифровых интегральных схем.
1.Введение.
Цифровые интегральные схемы (ЦИС) представляют собой электронные устройства, позволяющие строить практически все узлы и блоки ЭВМ, а также других приборов для автоматического управления.
В подавляющем большинстве подобных устройств обрабатываемая информация представлена в виде двоичных чисел. Переменные величины и функции от них, которые могут принимать только два значения: 0 и 1, называются логическими переменными или функциями. Свойства логических функций изучает алгебра логики (алгебра Буля). Устройства, реализующие логические функции, называются логическими элементами.
2.Понятие о базовом логическом элементе.
В алгебре логики доказывается, что любую сколь угодно сложную логическую функцию можно реализовать с помощью простых (или базовых) функций «И-НЕ» либо «ИЛИ-НЕ». На рис.1 дано графическое обозначение, а также функциональное и табличное описание работы элементов «И-НЕ» (рис.1а) и «ИЛИ-НЕ» (рис.1б).
|
X1 |
X2 |
Y |
|
0 |
0 |
1 |
|
1 |
0 |
1 |
|
0 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
0 |
|
X1 |
X2 |
Y |
|
0 |
0 |
1 |
|
1 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
а) б)
Рис. 1.
Здесь Х1, Х2, … , Хn –входные сигналы (могут принимать значение 0 или 1), знак & — обозначает функцию логического умножения («И»), а знак 1 — функцию логического сложения («ИЛИ»). Горизонтальная черта в записи функции выходного сигнала Y и кружок на выходе элементов обозначает инверсию — операцию изменения результата логического умножения (или сложения) с 0 на 1 или наоборот.
3. Принципиальная схема элемента «И-НЕ».
В настоящее время существует несколько схемно-технологических методов исполнения ЦИС: так называемые диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) и интегральные схемы на МОП-структурах.
Наиболее распространенной является ТТЛ-технология. В этом случае схема элемента «И-НЕ» соответствует рис. 2. Напряжение питания обычно равно +5В. Логический 0 представляется напряжением +0,4 В, логическая 1 — напряжением +2,4 В.
Функция «И» (логическое умножение) выполняется многоэмиттерным транзисто-ром МТ. Если на все входы (эмиттеры) МТ подано напряжение, соответствующее «1», т.е. высокого уровня, то эмиттерные переходы смещены в обратном направлении и открыт лишь коллекторный переход по цепи +5В R1 переход база-коллектор МТ переход база-эмиттер Т1 R3 -5В («Земля»). Этот ток открывает транзистор Т1, что приводит к повышению потенциала на его эмиттере и к понижению потенциала на коллекторе. В результате транзистор Т2 оказывается закрытым, а Т3 открытым, а выход схемы оказывается подключенным через практически нулевое сопротивление к шине «Земля». В этом случае выходное напряжение близко к 0, т.е. соответствует логическому «0», как это и следует из таблицы рис. 1а.
Если хотя бы на один из входов МТ подать сигнал с уровнем меньше +0,4В, то окажется открытым соответствующий переход база-эмиттер, а переход база-коллектор закроется. В результате транзистор Т1 будет закрыт, что приводит к понижению практически до 0 напряжения на его эмиттере (значит, и на базе транзистора Т3), а также к повышению примерно до +5В потенциала на его коллекторе (и на базе транзистора Т2). Открытое состояние транзистора Т2 и закрытое Т3 означает подачу на выход элемента высокого напряжения от источника +5В через резистор R4 и диод Д, т.е. сигнала логической «1».
4. Основные параметры.
Важной характеристикой элемента «И – НЕ» является передаточная характеристика, т.е. зависимость выходного напряжения от входного Uвых=F(Uвх), представленная на рис. 3. Сплошной линией показана характеристика идеального элемента, описываемая тремя параметрами: уровнями напряжения логического «0» — Uвых «0» и логической «1» — Uвых «1», и пороговым входным напряжением Uпор — напряжением, при котором происходит изменение выхода от «1» к «0» (и наоборот).
Если
,
то
элемент при такой величине Uпор обладает максимальной помехоустойчивостью, определяющейся величиной напряжения, которое может быть подано на вход относительно уровней «0» или «1», не вызывая изменение выходного сигнала.
Передаточная характеристика реальных элементов имеет наклон переходной (от «1» к «0») ветви. В этом случае наложение на входной сигнал напряжения помехи величиной меньше Uвх«0»max—Uвых«0» (Uвых«1»—Uвх«1»min) не вызывает изменение выходного сигнала. Быстродействие, логических элементов, как правило, определяется средним временем задержки распространения сигнала.
(1)
— время задержки положительного фронта выходного сигнала Uвых относительно отрицательного фронта входного (Uвх), а — задержка отрицательного фронта на выходе относительно положительного на входе (рис 4). Следует отметить, что ТТЛ-технология обеспечивает высокое быстродействие элементов (tз30 нс), значительно лучше, чем, например, у ЦИС на МОП-структурах. Знание основных характеристик ЦИС позволяет лучше понять работу различных устройств, выполненных на их основе.
5. Формирователи импульсных сигналов.
«Кольцевой генератор» (рис. 5а) собирается на инверторах «НЕ», в качестве которых могут использоваться элементы «И-НЕ» («ИЛИ-НЕ») при объединении между собой их входов.
Рассмотрение работы «кольца» начнем с момента перехода выходного напряжения U1 элемента Э1 (рис. 5а) от низкого потенциала к высокому — от «0» к «1». U1 одновременно является входным напряжением для Э2. Поэтому его входное напряжение (U2) с некоторой задержкой tз относительно U1 изменится от «1» к «0». Прослеживая распространение перепада дальше по цепочке инверторов Э3, Э4, Э5, заметим, что на выходе Э5 (и на входе Э1) с задержкой 4·tз возникнет перепад «0» «1», а через время 5·tз на выходе Э1 завершится перепад «1» «0», т.е. противоположный начальному.
А спустя еще время 5·tз схема вернется к начальному состоянию, т.е. период колебаний в данном случае равен 10·tз.
При нечетном количестве инверторов n для каждого элемента, а значит и для всей схемы невозможно устойчивое, т.е. неизменное во времени состояние. Предположим, что первый инвертор имеет «1» на выходе, т.е. на входе второго инвертора. Тогда на выходе инвертора 2 будет «0», инвертора 3 — «1» и, наконец, на выходе инвертора n — «1». Но это означает подачу «1» по цепи обратной связи на вход инвертора 1 и состояние «0» на его выходе, т.е. состояние, противоположное принятому.
Невозможность устойчивого состояния приводит к генерированию в схеме импульсной последовательности типа «меандр» (рис. 5б показывает это для n=5), причем ее период
T = 2ntз.ср. (2).
Кроме основного использования в качестве ВЧ генератора импульсов (для ТТЛ схем при n = 9 – 11 частота составляет несколько МГц), «кольцо» часто используется для измерения tз.ср.
«Укоротитель» импульсов (рис. 6.) также использует эффект задержки распространения для получения короткого выходного импульса отрицательной полярности длительностью tвых=ntз.ср. из входного, положительного импульса произвольной длительности.
n — число инверторов в одном пути распространения входного сигнала в двухвходовой схеме «И-НЕ».
До подачи входного импульса на ее верхнем входе сигнал равен «0», и на нижнем «1», а на выходе «1». Изменение к «1» сигнала на верхнем входе «И-НЕ» вызовет изменение состояния на выходе к «0», сохраняющиеся до тех пор, пока входной сигнал пройдет к нижнему входу «И-НЕ» по цепи инверторов. После этого выходной уровень станет вновь высоким, т.е. формирование отрицательного импульса закончится. Схема позволяет формировать импульсы весьма малой (10—50 нс) длительности.
«Укоротитель» импульсов на рис. 7 позволяет изменять длительность выходного импульса в более широких пределах при неизменном числе (два) логических элементов. Здесь задержка распространения сигнала к нижнему входу «И-НЕ», определяющая длительность выходного импульса, задается цепочкой RC в соответствии с соотношением tвыхRC.
«Удлинитель» импульсов положительной полярности (рис. 8) работает следующим образом. Вначале на выходе второго инвертора сигнал равен «0», так как его вход через резистор R подсоединен к положительному полюсу источника питания.
При подаче на верхний по схеме вход первого элемента короткого положительного импульса, возникающий на его выходе перепад единица-нуль передается через конденсатор на вход второго инвертора. На выходе второго инвертора установится «1», которая будет по цепи обратной связи удерживать первый элемент в состоянии «0», даже если входной импульс формирователя в это время закончится. Теперь на выходе формирователя сигнал возвратится на уровень «0» только тогда, когда зарядится конденсатор С. При этом, выходной сигнал первого инвертора переходит из нуля в единицу.
Автоколебательный мультивибратор (рис. 9) предназначен для генерирования прямоугольных колебаний.
В устройстве при определенной величине резисторов, обеспечивающей близость входных напряжений элементов Э1 и Э2 («НЕ») к пороговому значению — Uпор, осуществляется действие положительной обратной связи. Предположим, например, что выходное напряжение в результате флуктуации увеличилось на величину U1.Это увеличение, переданное через С1 на вход Э2, вызовет уменьшение его выходного напряжения на U2. Переданное через С2 на вход Э1 — это изменение вызовет добавочное увеличение напряжение на его выходе, т.е. увеличит первоначальное отклонение. В результате развивающегося лавинообразного процесса опрокидывания мультивибратор перейдет в состояние, когда на выходе Э1 — «1», а на выходе Э2 — «0». При этом ток разряда С1, текущий через R2, будет создавать высокий потенциал на входе Э2, а ток разряда С2 через R1 — низкий потенциал на входе Э1.
Спад положительного напряжения на входе Э2 (он характеризуется постоянной времени 1=C1·R2) до величины Uпор вызовет опрокидывание схемы в новое квазиустойчивое состояние, продолжительность которого будет определяться постоянной времени 2=C2·R1.
Таким образом, период генерируемых импульсов определяется соотношением:
T = 2-3·(1 + 2).
6. Описание лабораторного макета.
Лабораторный макет включает в свой состав устройства, позволяющие измерить передаточную характеристику и время задержки распространения ТТЛ ЦИС, а также изучить устройство и работу некоторых формирователей импульсов на их основе. На транзисторах T1 — T3 выполнен генератор линейно нарастающего напряжения для измерения передаточной характеристики. В качестве логических элементов, на которых собран автоколебательный мультивибратор (Э1, Э2), удлинитель импульсов (Э3, Э4), а также отдельные узлы «кольцевого генератора» и укоротителя импульсов (Э5-Э13), использованы элементы интегральной серии 134.
Запуск схем формирователя импульсов можно осуществлять как от внешнего генератора, так и сигналом входящего в состав макета автоколебательного мультивибратора. Соединение отдельных устройств макета между собой осуществляется внешними перемычками, включаемыми в соответствующие гнезда коммутатора (1-20), расположенного на линейной панели. Питание макета осуществляется от внешнего источника напряжения +5В.
7. Оборудование рабочего места.
8. Порядок выполнения работы.
а) зарисовать осциллограмму и измерить параметры пилообразного напряжения (Г6);
б) подать линейно нарастающее напряжение на вход инвертора Г15. Этим же сигналом синхронизировать осциллограф в режиме внешней синхронизации. Зарисовать совмещенные во времени осциллограммы на входе и выходе элемента Э5 (Г11). Измерить уровни напряжения, соответствующие «0» и «1», величину порогового напряжения Uвх.пор и ширину переходной области передаточной характеристики U. Сравнить измеренные величины с паспортными для элементов 134 серии.
9. ЛИТЕРАТУРА.
В.С. Гутников «Интегральная электроника в измерительных приборах». Л., «Энергия», 1974. Стр. 21—25, 105—109, 110—114.
10. Контрольные вопросы.