Файл: Отчет по очередной работе должен начинаться с нового листа.doc

ВВЕДЕНИЕ

В конструкциях современного электроподвижного состава железных дорог широко используются автоматизированные и автоматические системы управления (АСУ). Основной элементной базой таких систем являются различные полупроводниковые приборы. В настоящее время как в отечественном, так и в зарубежном электровозостроении основной тенденцией в построении и развитии АСУ является интенсивное использование элементов цифровой электроники и микропроцессорной техники.

В связи с этим современный инженер локомотивного хозяйства железных дорог должен обладать комплексом знаний, позволяющих ему организовать на производстве эффективное обслуживание и ремонт подобных систем.

Для достижения такой цели первоочередным требованием к специалисту в данной области железнодорожного транспорта является наличие у него теоретических и практических знаний о назначении, принципах действия, свойствах и параметрах функциональных элементов цифровой электроники. Такие знания имеют как самостоятельное значение, так и являются необходимой базой для изучения принципов устройства и работы микропроцессорных систем управления электроподвижного состава железнодорожного транспорта.

Целью настоящего издания является оказание методической помощи студентам при выполнении цикла лабораторных работ по дисциплине "Электронная техника и преобразователи ЭПС" в рамках раздела дисциплины "Цифровая электроника".

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ И ПРЕДСТАВЛЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1. Отчеты по лабораторным работам приводятся в отдельной тетради, на первом листе которой оформляется титульный лист установленной формы.

2. Отчет по очередной работе должен начинаться с нового листа тетради.

3. Организация работ данного лабораторного практикума предполагает как основную работу в лаборатории, так и домашнюю работу по подготовке к работе в лаборатории.

4. К выполнению очередной работы в лаборатории допускаются студенты, получившие допуск по результатам собеседования. Для каждой лабораторной работы приведен примерный перечень вопросов, которые могут быть заданы в ходе такого собеседования.

5. По окончанию выполнения работы, студент должен показать черновик работы преподавателю, на котором последний ставит подпись.

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Для выполнения лабораторных работ используется универсальный стенд ОАВТ, внешний вид которого показан на рис. 1.

Р

ис. 1. Лабораторный стенд и расположение его элементов

Для выполнения очередной лабораторной работы необходимо установить соответствующую сменную плату с исследуемым устройством в разъем, размещенный в верхней части лицевой панели стенда. Такая операция производится при выключенном стенде! На лицевую поверхность стенда накладывается сменная технологическая карта, на которой изображена схема исследуемого устройства и используемые органы управления и индикации. В той или иной лабораторной работе (в зависимости от ее содержания) могут быть последовательно использованы несколько сменных плат и технологических карт.

В левой стороне лицевой панели расположены тумблеры с двумя фиксированными положениями, предназначенные для задания логических значений переменным. В верхнем положении тумблера значение переменной равно "1", в нижнем – "0". В нижней части лицевой панели в ряд расположены кнопки, предназначенные для формирования сигналов управления. Для большинства исследуемых устройств нажатому состоянию кнопки соответствует уровень "0". Однако для некоторых устройств нажатию кнопки соответствует уровень "1". В любом случае, значение сигнала в линии при том или ином состоянии кнопки может быть определено по условному графическому изображению кнопки на технологической карте.

Для индикации состояния сигналов в характерных точках исследуемой схемы предназначены светодиодные индикаторы.

3. ЛабораторнЫЕ работЫ

3.1. Лабораторная работа № 1. "Логические элементы"

Цель работы

1. Ознакомление с цифровым способом представления информации.

2. Ознакомление с основными логическими функциями.

3. Изучение логики работы логических элементов различных типов.

Краткие теоретические сведения

В схемах импульсной техники для обработки и преобразования информации широко применяют цифровые методы. Они базируются на использовании сигнала прямоугольной формы, имеющего два фиксированных уровня напряжения. Это позволяет представлять сигнал в цифровой форме: высокому уровню напряжения приписывают символ (состояние) "1", а низкому уровню напряжения – символ "0".

Математическим аппаратом анализа и синтеза цифровых систем служит алгебра логики (булева алгебра). В отличие от обычной алгебры в алгебре логики логическая переменная Х может принимать только два значения: логического нуля – 0 и логической единицы – 1. Логические операции над логическими переменной (переменными) X или (Х₁, Х₂,Х₃,…) описываются логической функцией Y(X) или Y(Х₁, Х₂,Х₃, …), устанавливающей соответствие между Х или (Х₁, Х₂,Х₃, …) и значениями Y.

Основными логическими функциями являются:

логическое умножение (операция И), или конъюнкция (записывается как Y=(Х₁•Х₂•Х₃•…) или Y=(Х₁^Х₂^Х₃^· …));
логическое сложение (операция ИЛИ), или дизъюнкция (записывается как Y=(Х₁+Х₂+Х₃+ …));
операция инверсии (отрицание) записывается как Y= .

Электронные схемы, выполняющие простейшие логические функции, называют логическими элементами. В настоящее время логические элементы выполняются, как правило, в виде интегральных микросхем. На основе логических элементов выполняются схемы цифровой техники.

В соответствии с тремя основными логическими функциями имеются три основных логических элемента: элемент И, элемент ИЛИ, элемент НЕ (инвертор). Такой набор логических элементов называют базисным, поскольку, используя только эти логические элементы, можно построить сколь угодно сложную логическую функцию или устройство для ее реализации. В общем случае логический элемент может содержать два и более входов и один выход. Исключение составляет элемент НЕ. Он имеет один вход и один выход. Логическая функция наиболее наглядно и полно представляется так называемой таблицей соответствия, или таблицей истинности. На рис. 2 для случаев, когда логические элементы имеют два входа, приведены условные графические обозначения логических элементов базисного набора и их таблицы истинности. Количество входов данного логического элемента отмечается цифрой, расположенной перед названием функции, которую логический элемент выполняет.

ис. 2. Условные графические обозначения и таблицы истинности логических

элементов: 2И -а), 2ИЛИ - б), НЕ - в)

Выходная функция логического элемента И принимает единичное значение Y=1 тогда, когда на всех (и на первом, и на втором, и т.д.) его входах присутствуют входные переменные уровня логической "1". На выходе логического элемента ИЛИ формируется выходная функция Y=1 тогда, когда хотя бы на одном из его входов (или на первом, или на втором, или т.д.) присутствует входная переменная с уровнем логической "1". Особенностью элемента НЕ является то, что выходная функция принимает противоположное значение по сравнению с входной переменной. По этой причине такой элемент называют инвертором.

Существуют и другие логические элементы, которые реализуют более сложные логические функции. На рис. 3, 4 приведены условные графические обозначения некоторых таких двухвходовых логических элементов, их функциональные аналоги и таблицы истинности.

Необходимо отметить, что каждый из элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ обладает функциональной полнотой, также как и набор базисных элементов. Это означает, что любая сложная логическая функция может быть реализована либо только с использованием элементов И-НЕ, либо при использовании только элементов ИЛИ-НЕ.

Р

ис. 3. Условное графическое обозначение элемента 2ИЛИ-НЕ (а), его функциональный аналог (б) и таблица истинности (в)

Р

ис. 4. Условное графическое обозначение элемента 2И-НЕ - а), его функциональный аналог - б) и таблица истинности - в)

На рис. 5 показан логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (неравнозначность), который реализует операцию сложения по модулю 2. Выходная функция такого элемента принимает значение Y=1 тогда, когда входные переменные имеют различные значения. На этом же рисунке приведено условное графическое обозначение логического элемента, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ - НЕ (равнозначность).

Р

ис. 5. Условное графическое обозначение элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ - а), его таблица истинности - б) и условное графическое обозначение элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ - НЕ - в)

Порядок выполнения работы

При домашней подготовке

1. Используя учебную литературу и конспект лекций, изучить основы алгебры логики. Выписать основные логические функции двух переменных и основные законы алгебры логики.

2. Продумать и зарисовать в тетради для лабораторных работ схемотехническую реализацию логических функций 2И, НЕ, 2ИЛИ исключающее ИЛИ, 2ИЛИ-НЕ с использованием только элементов типа 2И-НЕ.

При работе в лаборатории

1. Последовательно устанавливая сменные технологические карты I-1, I-3, I-5, для каждого логического элемента составить таблицу истинности. Определить функцию, реализующую исследуемым элементом, установить тип элемента.

2. Последовательно устанавливая сменные технологические карты I-2, I-4, I-6, составить таблицы истинности для каждой исследуемой схемы. Используя полученные таблицы, определить логическую функцию, реализующую каждой схемой.

3. Установить сменную карту I-7 и составить таблицу истинности для исследуемой схемы. Используя принятые в алгебре логики способы записи логических функций, записать выражение логической функции, которую реализует данная схема.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схемы технологических карт (I-1 - I-6) с приведенными на них обозначениями логических элементов (допускается не показывать коммутационные и индикаторные приборы).

3. Таблицы истинности для каждой карты.

4. Четко сформулированные выводы о логической функции каждого исследованного элемента или схемы.

5. Схема технологической карты I-7 и таблица истинности исследованного устройства.

6. Записанная логическая функция схемы, исследованной с помощью карты I-7.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое алгебра логики?

2. Сформулируйте основные законы алгебры логики.

3. Сформулируйте определение конъюнкции и дизъюнкции.

4. Что такое базисный набор логических функций и элементов?

5. Определите эпюру выходной функции схемы, предложенной преподавателем по эпюрам входных переменных.

6. Составьте логическую функцию схемы, предложенной преподавателем.

3.2. Лабораторная работа № 2. "Исследование триггеров"

Цель работы
Исследование логики функционирования триггеров различных типов.

Краткие теоретические сведения

В устройствах импульсной и цифровой электроники широко используются функциональные узлы, способные сохранять (запоминать) двоичную информацию (состояния «0» и «1») после окончания действия входных сигналов. Такие функциональные узлы называются