Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника»




НазваниеМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника»
страница9/9
Дата публикации27.01.2014
Размер0.78 Mb.
ТипМетодические указания
uchebilka.ru > Информатика > Методические указания
1   2   3   4   5   6   7   8   9
^

8 Лабораторная работа №8
«Исследование базовых элементов интегральных логических схем КМОП – логики»



8.1 Цель работы
Изучить принципиальные схемы, основные характеристики и параметры ИМС КМОП логики, экспериментально исследовать заданные типы ИМС, получить практические навыки работы с ИМС.
8.2 Основные положения
Основной особенностью интегральных схем КМОП - логики является исключительно низкая потребляемая мощность при сравнительно высоком быстродействии. Эта особенность первоначально обусловила применение КМОП схем в аппаратуре с ограниченной мощностью источников питания, однако в настоящее время КМОП логика во многих применениях вытесняет другие типы ИМС. Устройства на КМОП схемах отличаются большей надежностью, помехоустойчивостью и нагрузочной способностью, менее критичны к изменениям величины напряжения питания. Современные типы КМОП ИМС приближаются по быстродействию к быстродействующим схемам ТТЛ. Схемы базовых элементов КМОП-логики приведены на рисунках 8.1-8.3.

В процессе выполнения лабораторной работы исследуются основные характеристики и параметры КМОП схем. Наиболее важной характеристикой является амплитудная передаточная характеристика (АПХ). Отличительной особенностью этой характеристики по сравнению с ТТЛ логикой является большая крутизна на участке переключения и постоянство выходного напряжения в сравнительно широком диапазоне изменения входного напряжения при фиксированном логическом уровне. Это определяет высокую помехоустойчивость КМОП схем и возможность их работы при различных значениях питающих напряжений.

В статическом режиме работы входной ток КМОП элемента практически отсутствует, поэтому коэффициент разветвления по выходу для элементов КМОП логики ограничивается только величиной суммарной емкости входов микросхем, подключенных к выходу элемента. В этой связи важное значение имеет исследование работы элемента при емкостной нагрузке. Перезаряд емкости нагрузки происходит через практически одинаковые сопротивления открытых транзисторов выходного каскада (инвертора) элемента. Поэтому время

нарастания и спада импульса на выходе при подаче импульсного сигнала на вход элемента совпадают.

Существенным недостатком КМОП схем является высокое выходное сопротивление схемы, определяемое сопротивлением канала открытого транзистора. Это приводит к снижению быстродействия при емкостной нагрузке элемента и к возможным сложностям при прямом согласовании элемента с элементами ТТЛ логики.
8.3 Подготовка к выполнению работы
8.3.1 В работе исследуются логические элементы типа И-НЕ и ИЛИ-НЕ интегральных микросхем серий К176, К561, К1561, К1554. При подготовке к выполнению работы следует по справочникам определить типы элементов 2И-НЕ , 2ИЛИ-НЕ. Привести в отчете их принципиальные схемы. Заполнить таблицу с основными параметрами выбранных ИМС (таблица 8.1).
Таблица 8.1- Основные параметры исследуемых ИМС КМОП логики.

Тип микросхемы


Потребляемая мощность

Время задержки


Нагрузочная способность







8.3.2 Изучить по рекомендованной литературе основные характеристики и параметры ИМС: передаточная, выходные характеристики, уровни логических сигналов, параметры быстродействия и нагрузочной способности.

8.3.3 Составить схемы проведения экспериментов по программе работ.
8.4 Порядок выполнения работы
8.4.1 Измерение уровней напряжений логических сигналов Uвых0, Uвых1.

Измерить значение напряжения питания схемы Uпит.

Собрать схему подключения логического элемента для измерения уровней напряжения нуля (рисунок 8.4) и единицы (рисунок 8.5).

Измерить уровни напряжений логических нуля U0 и единицы U1 для всех логических элементов заданной микросхемы. Измерения проводить вольтметром типа ВУ-15.

Сравнить полученные результаты с измеренным значением напряжения питания схемы.


8.4.2 Исследование амплитудной передаточной характеристики (АПХ) логического элемента Uвых = f(Uвх).

Собрать схему подключения элемента для измерения амплитудной передаточной характеристики (рисунок 8.6). Измерения выполнять в режиме холостого хода.

Снять передаточную характеристику элемента следующим образом. На вход логического элемента подать напряжение с выхода генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). При этом следует наблюдать изменение напряжения на выходе элемента. Для наблюдения за изменениями входного и выходного напряжений и для измерения их значений использовать осциллограф. ГЛИН формирует периодическое пилообразное напряжение. При подаче на вход логического элемента пилообразного напряжения форма выходного


сигнала повторяет амплитудную передаточную характеристику элемента. Масштаб изменения напряжения по оси абсцисс определяется через скорость нарастания пилообразного напряжения как

,

где Uглин и Тглин амплитуда и время прямого хода пилообразного напряжения, соответственно.

Величина входного напряжения для каждой точки характеристики определяется как произведение MU на соответствующее число делений по оси Х осциллографа.

Результаты измерений заносить в таблицу. Построить график зависимости Uвых = f(Uвх).

Определить следующие параметры логического элемента:

- асимптотический уровень логического нуля - Uвых0;

- асимптотический уровень логической единицы - Uвых1;

- выходное пороговое (минимальное) напряжение уровня логической единицы - Uвыхпор1;

- входное пороговое (минимальное) напряжение уровня логической единицы - Uвхпор1;

- входное пороговое (максимальное) напряжение уровня логического нуля - Uвхпор0;

- выходное пороговое (максимальное) напряжение уровня логического нуля - Uвыхпор0;

- статические запасы помехоустойчивости для уровня логического нуля-Uпом0; для уровня логической единицы - Uпом1;

- относительную помехоустойчивость для уровня логического нуля - Kпом0; для уровня логической единицы - Kпом1.

Относительная помехоустойчивость логического элемента определяется по формуле:

,

где Uпом - статический запас помехоустойчивости;

Uл - минимальный перепад между уровнями логических нуля и единицы.

Определить коэффициент усиления по напряжению Ku для каждого фиксированного значения входного напряжения Uвх, используя передаточную характеристику логического элемента. В связи с нелинейным характером зависимости Uвых = f(Uвх) коэффициент усиления вычисляется по формуле:

.

Результаты вычислений занести в таблицу, построить график зависимости Ku = f(Uвх). Определить максимальный коэффициент усиления Kumax.

Полученные результаты сравнить с ожидаемыми значениями (найденными по справочной литературе). Сделать выводы по результатам исследования передаточной характеристики логического элемента.
8.4.3 Исследование динамических параметров логического элемента

Собрать схему подключения элемента для измерения динамических параметров (рисунок 8.6). В качестве генератора использовать генератор прямоугольных импульсов, имеющийся в лабораторной установке.



Измерить динамические параметры логического элемента. Для этого исследовать работу элемента при импульсном входном сигнале следующим образом. На вход логического элемента подать импульсную последовательность с выхода генератора прямоугольных импульсов. Наблюдать входной и выходной сигналы одновременно с помощью двухлучевого осциллографа. Построить временные диаграммы, используя показания осциллографа. Особое внимание обратить на точное воспроизведение фронтов входного и выходного сигналов.

По временным диаграммам определить следующие динамические параметры логического элемента:

- время задержки распространения сигнала при переключении элемента из состояния "0" в состояние "1" на выходе - tзд.01;

- время задержки распространения сигнала при переключении элемента из состояния "1" в состояние "0" на выходе -tзд.10;

- среднее время задержки распространения сигнала - tзд.ср.;

- длительность отрицательного фронта выходного сигнала (длительность переключения элемента из состояния "1" в состояние "0") - tф.10;

- длительность положительного фронта выходного сигнала (длительность переключения элемента из состояния "0" в состояние "1") - tф.01.

Времена задержки распространения сигнала при переключении логического элемента определяются как временные интервалы между фронтами входных и выходных сигналов на уровне 0,5 амплитуды.

Длительности фронтов определяются как временные интервалы, в пределах которых выходной сигнал изменяется в диапазоне от 0,1 до 0,9 амплитуды.

Полученные результаты сравнить с ожидаемыми значениями (найденными по справочной литературе).

Сделать выводы по результатам измерения динамических параметров логического элемента.
8.4.4 Исследование динамических параметров логического элемента при работе на емкостную нагрузку

Собрать схему подключения элемента такую же, как в п.8.4.3 (рисунок 8.6). К выходу логического элемента подключить конденсатор из набора конденсаторов на лабораторном стенде. Повторить все исследования, выполненные в п.8.4.3, а именно: снять временные диаграммы входного и выходного сигналов и определить динамические параметры логического элемента - tзд.01, tзд.10, tзд.ср., tф.01, tф.10.

Исследования проводить для двух значений емкости нагрузки. Одно значение емкости подбирается таким образом, чтобы фронты выходного сигнала были заметно затянуты, но при этом сохранялась форма прямоугольного сигнала. Второе значение емкости нагрузки выбирается таким, чтобы исказить выходной сигнал (выходной сигнал приобретает форму треугольника). В последнем случае требуется дополнительно измерить: уровень постоянной составляющей Uпост, максимальное Umax и минимальное Umin значения выходного сигнала.

Полученные значения динамических параметров сравнить с результатами измерений, выполненных в п.8.4.3. Объяснить результаты эксперимента.

Сделать выводы по результатам измерения динамических параметров логического элемента при работе на емкостную нагрузку.
8.4.5 Определение среднего времени задержки распространения сигнала логического элемента tзд.р.

Собрать схему кольцевого генератора, соединив последовательно нечетное число логических элементов (рисунок 8.7). Измерить с помощью осциллографа период T следования импульсов генератора. Вычислить среднее время задержки распространения сигнала tзд.р., учитывая зависимость

,

где N - число элементов кольцевого генератора.

Сравнить результаты измерения со значениями времени задержки распространения сигнала, полученными в п. 8.4.3.

8.4.6 Исследование выходных характеристик логического элемента

Получить две выходные характеристики:

- для уровня логического нуля Uвых0 = f(Iвых0);

- для уровня логической единицы Uвых1 = f(Iвых1).

Схема подключения элемента для снятия выходной характеристики при уровне нуля на выходе показана на рисунке 8.8, при уровне единицы - на рисунке 8.9.

Выходные характеристики снимать следующим образом. Выходной ток элемента изменять с помощью потенциометра или переключателя сопротивлений. Соответствующие значения выходного напряжения фиксируются вольтметром ВУ-15. Результаты измерений занести в таблицы. Измерения проводить до тех пор, пока выходное напряжение не достигнет порогового значения: максимального напряжения уровня логического нуля Uвыхпор0 для характеристики Uвых0 = f(Iвых0) или минимального напряжения уровня логической единицы Uвыхпор1 для характеристики Uвых1 = f(Iвых1). Построить графики полученных зависимостей.



Определить выходное сопротивление элемента в состоянии логического нуля на выходе - Rвых0 и в состоянии логической единицы на выходе - Rвых1 для нескольких точек выходной характеристики. Выходное сопротивление в состоянии логического нуля вычисляется по формуле:

,

а в состоянии логической единицы - по формуле:

,
где Uпит - напряжение питания элемента.

Определить максимальные выходные токи:

- для уровня логического нуля на выходе (ток, соответствующий максимальному напряжению уровня логического нуля) - Iвыхmax0;

- для уровня логической единицы на выходе (ток, соответствующий минимальному напряжению уровня логической единицы) - Iвыхmax1.

Сделать выводы по результатам исследования выходных характеристик логического элемента.
8.5 Контрольные вопросы
8.5.1 Нарисуйте принципиальные электрические схемы и объясните принцип действия КМОП инвертора, элементов "И-НЕ", "ИЛИ-НЕ".

8.5.2 Рассмотрите работу инвертора КМОП на емкостную нагрузку.

8.5.3 Объясните полученные при выполнении работы выходные характеристики элемента. Какими физическими процессами в схеме определяются результаты.

8.5.4 Как по передаточной характеристике определяются параметры статической помехоустойчивости.

8.5.5 Как экспериментально определить параметры быстродействия логического элемента.

8.5.6 Перечислите основные серии ИМС КМОП логики. Какими параметрами различаются элементы этих серий.
8.6 Рекомендуемая литература: [2, 4, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 15, 16, 19, 21, 22, 23].
^ СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Аванесян Г.Р. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ :Справочник/Г.Р. Аванесян, В.П. Левшин. – М.: Машиностроение,1993. – 265с.

  2. Аналоговые и цифровые интегральные схемы/Под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1990.-496 с.

  3. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: [Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Радиотехника»]/С.И. Баскаков. – М.: Высшая школа,2000. – 462с.

  4. Бедрековский М.А. Интегральные микросхемы: взаимозаменяемость и аналоги: Справочник/М.А. Бедрековский, Н.С. Кручинин, В.А. Подолян. – М.: Энергоатомиздат,1991. – 269с.

  5. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники/Б.С. Гершунский. – Киев: Вища школа,1989. – 422с.

  6. Завадский В.А. Компьютерная электроника.– К.: ВЕК, 1996.–368 с

  7. Зарубежные полупроводниковые приборы. Интегральные микросхемы и их отечественные аналоги: Справочные таблицы). – [БМ., БИ., БГ. ] -Вып.1.- 49с.

  8. Зубчук В.И. Справочник по цифровой схемотехнике/В.И. Зубчук, В.П. Сигорский, А.Н. Шкуро. – Киев: Техника, 1990.- 448 с.

  9. Ланцов А.Л. Цифровые устройства на КМДП интегральных схемах/А.Л. Ланцов, Л.Н. Зворыкин, И.Ф. Осипов. – М.: Радио и связь, 1983.-272 с.

  10. Мальцов А.К. Зарубежные полупроводниковые приборы. Интегральные микросхемы и их отечественные аналоги: Справочник/А.К. Мальцов. – Минск: Полымя,1995. – 267с.

  11. Методические указания к изучению курса «Схемотехника ЭВМ» для студентов специальности «ЭВМ»/Сост. В.А. Завадский. – К.: УМКВО, 1989.-56с

  12. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: Полный курс/Ю.Ф. Опадчий. – М.: Горячая линия Телеком, 2001. – 768с.

  13. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики/И.С. Потемкин – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с., ил.

  14. Применение интегральных микросхем в электронно - вычислительной технике/Под ред. Файзулаева В.Н., Тарабрина Б.В. – М.: Радио и связь, 1986.-384 с.

  15. Скаржепа В.А. Электроника и микросхемотехника. Ч.1. Электронные устройства автоматики: Учебник/В.А. Скаржепа, А.Н. Луценко - Киев: Высшая школа, 1989. - 431 с.

  16. Схемотехника ЭВМ:[Учебник для вузов]/ Под ред. Соловьева Г.Н. –М.: Высшая школа, 1985.- 391 с.

  17. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: [Учеб. пособие для студентов направления «Информатика и вычислительная техника»]/Е.П. Угрюмов. – Спб.; К.; МЖ БХВ – Петербург,2001. – 518с.

  18. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ:[Учеб. пособие для вузов]/ Е.П.Угрюмов. – М.:Высшая школа, 1987 .-318с.

  19. Угрюмов Е.П. Элементы и узлы ЭЦВМ: [Учеб. пособие для втузов]/Е.П. Угрюмов. – М.: Высшая школа, 1976.-232 с.

  20. Федорков Б.Г. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение/Б.Г.Федорков, В.А.Телец. – М.: Энергоатомиздат, 1990,- 320с.

  21. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / Мальцев П.П., Долидзе Н.С., Критенко М.И. и др. – М.: Радио и связь,1994.–240 с.

  22. Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Серии К176, К561, К564, КР2561,1564: Справочник/В.Л. Шило. – М.:Ягуар,1993. – 63с. – (Сер. «Отечественные микросхемы и их зарубежные аналоги»).

  23. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник/В.Л. Шило. – М.: Радио и связь , 1987.-346 с.ё
1   2   3   4   5   6   7   8   9

Похожие:

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Компьютерная графика»
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Компьютерная графика» (для студентов, обучающихся по направлению...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине 
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине Водоснабжение (для студентов 4 курса всех форм обучения специальности...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «электромагнитная техника»
Методические указания к выполнению лабораторных работ и контрольных заданий по дисциплине "Электромагнитная техника". Раздел "Электромагнитные...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «прикладная гидроэкология»
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Прикладная гидроэкология» (для студентов 3 курса дневной формы...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по курсу
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу "Технологические основы машиностроения" для студентов специальности...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Физика” для студентов всех специальностей (Разделы: “Механика”,...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника» iconМетодические указания по выполнению Самостоятельной работы по дисциплине...
Основную роль в овладении учебной дисциплиной играет самостоятельная работа студентов

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине...
Компьютерная инженерия” (для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 091501 “Компьютерные системы и сети”, 091502...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «вычислительная...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Вычислительная техника и программирование», (для студентов 2 курса...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «компьютерная электроника и схемотехника» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физические...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физиче­ские свойства и методы исследования» /Составитель В. А. Пчелинцев....

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


<