Лабораторный практикум

в некоторых сериях, например К1533КП15, имеется вход управления установки выходов мультиплексора в третье состояние (обозначается как EZ).

Отечественная промышленность выпускает в настоящее время мультиплексоры, осуществляющие выбор одного из 4-х, 8-ми и 16-ти информационных каналов (входов); они различаются числом адресных входов:

4х1 (два управляющих входа);

8х1 (три управляющих входа);

16х1 (четыре управляющих входа).

Мультиплексоры с четырьмя информационными входами (КП155КП2, КР1533КП2) обычно изготавливают по два на одном кристалле. При этом адресные входы к ним являются общими. Выборка одного из мультиплексоров осуществляется по стробирующему входу. Одновременно оба мультиплексора в таком исполнении работать не могут. Такое конструктивное решение оказывается очень удобным при логическом проектировании схем управления.

Мультиплексоры помимо выполняемой ими непосредственно заданной функции селектирования, оказываются весьма удобными логическими элементами при создании различных комбинационных схем.. Хотя стоимость мультиплексора выше стоимости логических схем малой степени интеграции, применение мультиплексоров часто позволяет уменьшить требуемое число корпусов и число соединений между ними. А стоимость и надежность цифровых устройств в основном определяется, как известно, стоимостью и надежностью соединений.

Таким образом, основными достоинствами использования мультиплексоров в комбинационных схемах являются:

1) сокращение числа соединений и объема пайки;

2) уменьшение стоимости элементов и монтажа;

3) повышение надежности схемы.

К недостаткам можно отнести:

1) трудности перестройки схем на печатных платах.

2.2. Структура мультиплексоров

На рисунке 1 показаны условные обозначения мультиплексоров, взятые из разных справочников.

Здесь - информационные входы; - управляющие (адресные, селекторные) входы; E, V,S,- вход стробирования; - выходы.

Принципиальная схема мультиплексора 8х1 (К155КП7) показана на рисунке 2.

Если сопоставить эту схему с другими подобными по структуре комбинационными схемами, то легко убедиться, что здесь явная аналогия со схемой дешифратора на восемь выходов, с небольшой, с точки зрения схемотехники, разницей, а именно - в мультиплексоре все восемь выходов элементов И объединяются элементом ИЛИ.

Согласно принципиальной схеме уравнение мультиплексора 8х1 может быть записано в виде

Заметим, что в уравнении не используется вход стробирования. Для нашего анализа это не имеет существенного значения.

Подставляя вместо их двоичные эквиваленты, уравнение (1) можно представить как

.

Рисунок 1 - Условные изображения мультиплексоров

Рисунок 2 - Принципиальная схема мультиплексора К155КП7

Аналогично можно записать логическое уравнение любого другого типа мультиплексора, например, для мультиплексора 4х1 уравнение будет таким

(2)

или

.

Отметим, это важно, что уравнение (1) можно представить и так

(3)

Теперь интересно сравнить оба слагаемых в скобках уравнения (3) мультиплексора 8х1 с уравнением (2) мультиплексора 4х1.

2.3 Реализация булевых функций при помощи мультиплексора

Рассмотрим идею реализации мультиплексором булевых функций и покажем, что мультиплексор является универсальным логическим элементом.

Для этого рассмотрим логическую функцию, реализуемую мультиплексором на четыре канала, изображенном на рисунке 3.

Рисунок 3 - Мультиплексор на четыре канала

Запишем уравнение мультиплексора

или

.

Покажем, что любая трехместная функция f() может быть реализована этим мультиплексором. Используя метод функциональной декомпозиции (теорему Шеннона), функцию f() представим в виде

.

Применяя к полученному выражению еще раз теорему Шеннона, будем иметь

.

Сопоставим теперь фрагменты полученного уравнения функции с переменными, являющимися аргументами функции, реализуемой мультиплексором на четыре канала, т.е.:

,

.

Наглядно видно, что эти уравнения подобны. Для полной тождественности их примем , и тогда должно быть

Рассмотрим первое слагаемое функции f(). Оно может соответствовать двум точкам гиперкуба, , т.к. может принимать значения 0 или 1:

При этом возможны следующие четыре пары значений функции f() в зависимости от того, какие значения может принимать и сама функция (вспомним сингулярную функцию),т.е.:

Тогда для каждой пары будем иметь:

для первой пары f(0,0,)=0, поэтому =0;

для второй пары f(0,0,)= , поэтому =;

для третьей пары f(0,0,)=, поэтому =;

для четвертой пары f(0,0,)=1, поэтому =1.

Таким образом, для реализации булевой функции трех переменных на мультиплексоре 4х1 необходимо две переменные заданной функции, например x₁ и x_2, подать на адресные входы А₁ и А₂, а третью переменную x₃ подать тем или иным способом на информационные входы D₀, D₁, D₂, D₃ мультиплексора.

Чтобы хорошо разобраться в способах реализации булевых функций на мультиплексорах, рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Разберем вначале элементарную задачу. Пусть требуется реализовать на мультиплексоре 8х1 функцию

.

Решение. Изобразим эту функцию в виде таблицы истинности (таблица 1), в которой переменные х₁, х₂,х₃ уравнения заменим адресными входами А₁, А₂, А₃.

Из этой таблицы следует, что в соответствии с кодами адресных входов на информационные входы D₀ - D₇ необходимо подавать только логические 0 и 1 согласно значениям заданной функции F, а именно, на входы D₀, D₂,D₃, D₆,D₇ нужно подать высокий потенциал (“1”), а на входы D₁,

Таблица 1 - Таблица истинности

N(Di)	A1(x1)	A2(x2)	A3(x3)	F	Di
0	0	0	0	1	1
1	0	0	1	0	0
2	0	1	0	1	1
3	0	1	1	1	1
4	1	0	0	0	0
5	1	0	1	0	0
6	1	1	0	1	1
7	1	1	1	1	1

D₄,D₅ - низкий (“0”), т.е. заземлить. Для того, чтобы мультиплексор работал, вход “строб” (S) также нужно заземлить. Схема реализации показана на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема реализации примера 1

Пример 2. Реализовать на мультиплексоре 4х1 функцию

.

Решение.

1 этап. Выберем мультиплексор типа К155КП2 (рисунок 5), таблица функционирования для одной половинки которого имеет вид (таблица 2).

Согласно таблице истинности микросхемы К155КП2 имеем, что соответствует информационному входу D₀; - D₁; - D₂; -D₃.

Таблица 2 - Таблица истинности К155КП2

Входы							Выход
1S	A1	A2	D0	D1	D2	D3	Fi
0 0 0 0 1	0 0 1 1 x	0 1 0 1 x	1 0 0 0 x	0 1 0 0 x	0 0 1 0 x	0 0 0 1 x	1 1 1 1 0

Рисунок 5 - Мультиплексор К155КП2

2 этап. Строим таблицу истинности заданной функции и анализируем ее в соответствии с имеющимися данными (таблица 3).

1. Определяем информационные входы D₀ - D₃ в соответствии с кодами управляющих сигналов A₁ A₂ (таблица 2).

2. Определяем функции возбуждения информационных каналов мультиплексора, т.е. какие сигналы и на какие входы нужно подать, учитывая, что х₁ и х₂ поданы на A₁ и A₂ соответственно.

Таблица 3 - Совмещенная

A1	A2	х3	F	Di	N
0 0	0 0	0 1	0 1	x3	0 1	D0
0 0	1 1	0 1	1 0		2 3	D1
1 1	0 0	0 1	1 0		4 5	D2
1 1	1 1	0 1	0 0	0	6 7	D3

Рисунок 6 - Схема реализации примера 2

Для этого рассмотрим строки 0 и 1 таблицы истинности функции (таблица 3). Имеем

Так как х₃ в этих строках повторяет значение функции F, то =.

Из 2-й и 3-й строки таблицы следует

Так как х₃ в этих строках является инверсией функции F, то следует, что =.

Из 4-й и 5-й строки следует, что

Отсюда =.

Из последних двух строк очевидно, что D₃=0.

3 Этап. Строим принципиальную схему, которая показана на рисунке 6.

Наличие в мультиплексоре стробирующего входа позволяет, как было сказано выше, значительно расширить его логические возможности. Для иллюстрации этого положения рассмотрим уравнения мультиплексоров 4х1 и 8х1 :

.

Как видно из сопоставления этих уравнений, выражения в скобках уравнения для мультиплексора 8х1, являются уравнениями, аналогичными уравнению мультиплексора 4х1. Мультиплексор 8х1 может реализовать любую булеву функцию четырех переменных с минимальным числом внешних элементов, что невозможно осуществить на одном мультиплексоре 4х1. Но, используя два мультиплексора 4х1 со стробирующими входами, операцию реализации функции четырех переменных легко можно осуществить, подавая на входы S переменную A₃ со своими значениями, заданными в функции. Этот сигнал будет попеременно подключать в работу первый или второй мультиплексор.

Аналогично можно получить и следующие связи между мультиплексорами

Отметим, что при числе переменных больше трех, следует пользоваться не таблицами истинности из-за их громоздкости, а картами Карно.

3 Описание лабораторного устройства

На лицевой панели лабораторного макета показаны два мультиплексора типа К155КП2 и наборы логических элементов. Имеются гнезда с высокими и низкими уровнями напряжения, имитирующие сигналы логической единицы и логического нуля. Коммутация схемы производится при помощи набора соединительных проводов.

4 Программа работы

По заданному варианту синтезировать и начертить схему, реализующую заданную булеву функцию при помощи одного или (и) двух мультиплексоров. До набора схемы на макете показать расчеты преподавателю.

5 Содержание работы

Отчет должен содержать:

5.1 задания согласно выданному варианту;

5.2 подробный синтез схемы;

5.3 принципиальные схемы по каждой заданной функции.

6 Контрольные вопросы

6.1 Чем отличается мультиплексор от дешифратора?

6.2 Какие функции может выполнять стробирующий вход?

6.3 Напишите уравнение мультиплексора 16x1 для реализации его на мультиплексорах 8x1.

6.4 Опишите работу демультиплексора.

Список литературы

1. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы.- Челябинск.: Металлургия, 1989.

2. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. -М.: Радио и связь, 1990.

3. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника.- Киев.: Выща школа, 1989.

4. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике / Под ред. Б.В. Тарабрина.- М.: Радио и связь, 1987.

5.Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре.- Л.: Энергоатомиздат, 1986.

6. Голдсуорт Б. Проектирование цифровых логических устройств. - М.: Машиностроение, 1985.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ТАЙМЕРА

1 Цель работы

Цель данной работы состоит в ознакомлении с параметрами таймера КР1006ВИ1, принципом его работы и схемотехническими решениями при построении таймеров заданных типов, а также в приобретении практических навыков расчетов таймеров, изучении принципиальной схемы классического (базового) таймера и временных диаграмм его работы.

2 Теория вопроса

2.1 Общие сведения

Полупроводниковые таймеры - это относительно новый вид функционального элемента в микроэлектронике.

Впервые таймер (NE 555) был выпущен фирмой Signetics Corporation в 1972 году. Появление отечественного аналога таймера КР1006ВИ1 дало возможность использовать его для проектирования большинства схем установки времени, при этом используется лишь несколько внешних элементов и, таким образом, существенно упрощается проектирование. Таймер КР1006ВИ1 с такими достоинствами, как простота, универсальность и экономичность, быстро приобрел широкую популярность, сравнимую с популярностью операционных усилителей.

По функциональному составу внутренних узлов и способу выполнения заданной функции таймеры не являются полностью аналоговыми или цифровыми ИС.

Современные таймеры наряду с компараторами напряжения, которые относят к аналоговым ИС, содержат узлы, выполняющие цифровые функции - логические вентили, триггеры счетчики и др. Компараторы в таймерах обеспечивают повышение чувствительности цифровых структур от единиц вольт до долей милливольта к изменениям входных напряжений. Таким образом, основные функции в таймерах выполняют цифровые узлы, точность же формирования времени определяется в первую очередь компараторами напряжения.

2.2 Назначения таймеров

В цифровых схемах часто требуется источник импульсов с точно определенной длительностью. Обычно необходимы :

1) Одиночный импульс с заданной длительностью;

2) Непрерывная последовательность импульсов с заданными:

а) частотой;

б) коэффициентом заполнения или скважностью.

Первому требованию удовлетворяет моностабильная схема, а второму - астабильная. Таймер может работать в обоих режимах, а для задания его рабочих параметров требуется очень мало внешних элементов.

Таймеры также используются для синхронизации и для различных видов импульсной модуляции.

Таймеры могут быть классифицированы по двум основным категориям:

1) Однотактные таймеры типа одновибраторов;

2) Многотактные таймеры или таймеры / счетчики.

Однотактные таймеры оперируют зарядом источника времязадающего тока, тогда как таймеры / счетчики совмещают генератор базового времени с каскадом счетчика для получения длительных задержек.

2.3 Функциональная схема таймера

Упрощенное внутреннее устройство таймера КР1006ВИ1 приведено на рисунке 1.а, условное его обозначение показано на рисунке 1.б, а принципиальная схема - на рисунке 2.

Эта микросхема состоит из двух операционных усилителей, используемых в качестве компараторов К1 и К2, RS - триггера, делителя напряжения состоящего из трех резисторов R1 - R3 по 5кОм каждый. Кроме того предусмотрен инвертирующий выходной каскад, обеспечивающий достаточно высокую нагрузочную способность. Для быстрого разряда внешнего времязадающего конденсатора имеется транзисторный ключ Т11, а для сброса таймера используется блокирующий транзистор Т10

а) Функциональная схема

б) Условное обозначение

Рисунок 1 - Функциональная схема таймера КР1006ВИ1

и условное его обозначение

Напряжение от делителя U₁=1/3Uг подается на неинвертирующий вход компаратора запуска (К1), а напряжение U₂=2/3Uп - на инвертирующий вход компаратора сброса (К2). В процессе работы компараторы выполняют функцию управления таймером, в частности, триггером.

Триггер формирует импульсы прямоугольной формы и, в свою очередь, управляет работой разрядного транзистора Т11.

Компаратор К1 в процессе управления триггером. а следовательно, и таймером, обладает приоритетом перед компаратором К2. Это означает, что в случае, когда на вход компаратора К1 подано напряжение запуска ( Uвх₁1), то независимо от уровня напряжения на входе компаратора К2 (Uвх₂2,Uвх₂>U₂) триггер устанавливается в состояние, соответствующее состоянию запуска таймера.

Транзистор Т10 служит для блокировки работы таймера. На эмиттер этого транзистора подается напряжение Uоп, формируемое внутренними элементами таймера.

Рассмотрим назначение выводов таймера.

Вывод 1 - общий ( земля )

Вывод 8 - на этот вывод подается напряжение питания ( 4,5-16 Вольт). Приращение потребляемого таймером тока на 1 Вольт изменения источника питания составляет 0,007 Ампер.

Вывод 2 - через него осуществляется запуск таймера, эту цепь обычно называют триггерным входом. По отношению к выходу этот вход является инвертирующим. В астабильном режиме он соединяется с выводом 6.

Вывод 3 - он является низкоомным выходом таймера.

Вывод 4 - через него осуществляется сброс таймера, т.е. он служит для установления на его выходе низкого напряжения независимо от напряжения на выводах 2 и 6. Если напряжение на этом выводе U₄<0 .4 Вольт, то напряжение на выходе таймера будет составлять 0,1 - 0,2 Вольта. При напряжении U4>1 Вольт цепь сброса таймера выключена и не влияет на его работу. Если в процессе работы таймера нет необходимости его прерывать, то вывод 4 соединяют с выводом 8, как показано на рисунке 1.б.

Вывод 5 - через него осуществляется доступ к входам внутренних компараторов, на которые поданы пороговые напряжения. Чтобы избежать влияния внешних помех и пульсаций напряжения питания на точность работы таймера, рекомендуется шунтировать вывод 5 конденсатором, емкостью около 0,01 микроФарад.

Вывод 6 - при высоком напряжении на выводе 2 ( > 1/3 Uп ) состоянием выхода таймера можно управлять с помощью компаратора К2 по этому выводу, называемому пороговым входом таймера. В моностабильном режиме этот вывод обычно соединяют с выводом 7.

Вывод 7 - он является вспомогательным высокоомным выходом, который представляет собой открытый коллектор транзистора Т11. Этот вывод обычно используется для организации цепей обратной связи с выхода на входы (выводы 2 и 6 ) таймера.

2.4 Внутренняя структура таймера

Рассмотрим принципиальную схему таймера КР1006 ВИ1, показанную на рисунке 2.

Резисторная цепочка делителя, которая определяет пороговые значения напряжения, включает в себя пятикилоомные резисторы R₇,R₈ и R₉ и транзисторы смещения TV9 и TV15 верхнего К2 и нижнего К1 компараторов соответственно. Транзисторы TV1 - TV8 составляют верхний компаратор. Транзисторы TV1 - TV4 используются как основная нагрузка для увеличения коэффициента усиления компаратора. Входные дифференциальные каскады собраны на транзисторах по схеме Дарлингтона, используемые в разработке компаратора, обеспечивают высокое входное сопротивление и низкий входной ток, что допускает широкий диапазон значений внешнего времязадающего резистора, используемого для конкретного применения.

Два выхода компараторов, взятые от коллекторов транзисторов TV2,TV12 и TV13, питают управляющий триггер, который состоит из TV17 и TV18. Транзисторы TV5 и TV19 являются транзисторами смещения для нижнего компаратора и триггера.

Выходной каскад таймера - это универсальная двухтактная схема, состоящая из транзисторов TV20 - TV23. Она может быть источником или приемником тока в 200 миллиАмпер при напряжении питания 15 Вольт и может управлять входами ТТЛ - кристаллов с питанием 5 Вольт.

Работу схемы можно объяснить следующим образом. Запускающий входной импульс, величина которого ниже, чем 1/3 Uп, поступивший на базу транзистора TV12 ( вывод 2 ), отпирает транзисторы TV12 и TV13 и вызывает положительный перепад на выходе компаратора на резисторе R₆. Это является причиной отпирания транзистора TV16, вызывающего снижения потенциала на его коллекторе, что устанавливает фиксацию триггера путем запирания транзистора TV17 и открывания TV18, которые затем ведут к понижению потенциала коллектора транзистора TV18 и, следовательно, к понижению напряжения на выходе триггера. Для такого состояния триггера транзистор TV20 и разряжающий транзистор TV11 будут выключены и выход (вывод 3) будет иметь высокий потенциал. Это установленное состояние фиксации останется до тех пор, пока схема не будет вновь возвращена в исходное состояние.

Рисунок 2 - Принципиальная схема таймера КР1006ВИ1

Когда напряжение на выводе 6 достигнет верхнего порогового напряжения 2/3Uп, потенциал на выходе TV2 повышается и включается транзистор TV17. Транзистор TV17 снимает питание с базы TV18 и, следовательно, запирает его и происходит перебрасывание триггера. Альтернативный способ переброса триггера производится подачей низкого уровня напряжения на вход сброса (вывод4), который соединен с базой транзистора TV10. Это позволяет открыть TV10, который в свою очередь запирает транзистор TV18 путем устранения питания его базы и изменяет на обратное смещение диода Д₁. Независимо от используемого метода вновь установленное состояние выключает транзистор TV18 и запирает TV20. При этом высоком выходе триггера разряжающий транзистор TV11 и выходной токоприемный транзистор TV23 оказываются открытыми, а выход находится в своем низком состоянии, которое определяется величиной напряжения коллектор - эмиттер в режиме насыщения транзистора TV23.

Таким образом, отметим особенности управления выходным напряжением таймера с помощью сигналов, подаваемых на входы компараторов К1 и К2:

1) Напряжение высокого уровня на выходе таймера устанавливается только в том случае, когда на вход К1 подается напряжение низкого уровня Uк₁1 ( независимо от уровня напряжения на входе К2 ).