Рабочая тетрадь по дисциплине "Цифровая схемотехника"
учебно-методический материал на тему

ГАОУ СПО СО Краснотурьинский индустриальный колледж

Рабочая тетрадь по дисциплине

Цифровая схемотехника

Преподаватель  Симонова Н.Х.

2012

          Рабочая тетрадь по дисциплине  «Цифровая схемотехника» предназначена для самостоятельной работы студентов  во внеурочное время. Тетрадь содержит задания по разделам дисциплины, которые позволяют получить навыки чтения цифровых схем, дают возможность студенту запомнить свойства и назначение микросхем различного типа. Итоговая оценка за тетрадь,  может быть принята за базовую при оценке знаний за курс.   Задания рабочей тетради можно использовать  в качестве заданий контрольных работ  в ходе изучения курса.

Раздел 1.Основы логического проектирования

1.1.Арифметические основы цифровой техники

Системы счисления.

Позиционная система счисления это________________________________

Непозиционная система счисления___________________________________

Основание системы счисления.  Примеры записи чисел в различных системах счисления.

__________________________________________________________________

Перевод чисел из одной системы счисления в другую.

Выполнить перевод чисел из десятичной системы в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную с проверкой каждого перевода

1. 35910=……….8=………….16=……………..2
2. 15310=……….8=………….16=……………..2
3. 0,25610=……….8=………….16=……………..2
4. 0,43110=……….8=………….16=……………..2

Привести правила перевода целых чисел из одной системы в другую.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Выполнить суммирование двоичных чисел.

1. 41210=

      17910=

2. 0,14610=

               0,58210=

1.2. Логические основы цифровой техники.

1. В какой форме могут быть представлены функции в алгебре логики?

2. Задана функция. Минимизировать  с помощью карт Вейча или карт Карно.

2.1.Заполните карту, предварительно обозначив столбцы  и строки:

2.2.Запишите МДНФ по карте: __________________________________________________________________

__________________________________________________________________

3.Заполните таблицы истинности для  9-и основных функций  2 -ух переменных.  Над таблицей напишите их названия.

Запишите логические выражения для каждой из этих функций

3. Приведите условные графические обозначения  всех 9-и логических функций  обозначте , каждый из элементов на поле условного графическог обозначения.

1.3 Синтез цифровых устройств.

1. Используя  базисы И-НЕ  или ИЛИ-НЕ  составьте простейшие логические схемы по уравнениям:

y = x1*x2 \/ x3*x4

                       ___________

y = x1 \/ x2 + x1*x2 \/ x1*x2

2. Выполните таблицы истинности 3-х переменных для функции дизъюнкции, конъюнкции, обозначте столбцы таблиц.

1.4. Логические элементы диодной логики.

Полупроводниковые материалы.  Смысл названия?

____________________________________________________________________________________________________________________________________

Что такое собственная проводимость полупроводника?

___________________________________________________________________

Что такое примесная проводимость полупроводника?

__________________________________________________________________

Что такое донорная проводимость полупроводника?

__________________________________________________________________

Что такое акцепторная проводимость полупроводника?

__________________________________________________________________

 Что такое полупроводниковый диод? Приведите определение.

____________________________________________________________________________________________________________________________________Чем объясняется односторонняя проводимость диода?

__________________________________________________________________

Приведите схему положительной диодной логики   ИЛИ.

Приведите схему отрицательной  диодной логики   И.

Чем объясняется низкое быстродействие диодной логики?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.5. Логические элементы ТТЛ логики.

1.5.1.Дайте определение транзистора.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.5.2.Назовите типы транзисторов и приведите их условные обозначения.

     ________________________________________________________________________________________________________________________________            

1.5.3.Как называется это элемент? Приведите справа временную диаграмму для входных и выходных сигналов.

1.5.4.Укажите название этого элемента  проставьте уровни напряжений на схеме и логические функции на выходе при логической единице на входе.

1.5.5.Проставьте уровни напряжений на схеме и логические функции на выходе при логическом нуле на входе.

1.5.6.Оъясните эту схему. Каково  её назначение. При каком входном сигнале  открыт транзистор  VT5? При каком входном сигнале открыты транзисторы VT4, VT3?

1.5.6.*Поясните логику ТТЛШ,  особеннсть структур, сравните быстродействие ТТЛ и ТТЛШ.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.6.Логические элементы  на  МОП и КМОП структурах.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.6.1.Объясните работу полевого транзистора.

1.6.2.Укажте тип канала  и затворов  транзисторов.

1.6.3.Назовте тип элемента , укажите логическую функцию, которую он реализует

1.  

1.6.4. Приведите основные характеристики элементов КМОП и МОП:

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.6.5* Охарактеризуйте логику МЕП.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.6.6* Охарактеризуйте логику МДП

________________________________________________________________          

1.7. Интегральная инжекционная логика (И2Л).

1.7. 1.Приведите структуру полупроводникового  инжекторного элемента

(рисунок)

1.7.2.Укажите уровни напряжений на выходах элементов заданных входных сигналах:

1.7.3.Приведите основные характеристики логики И2Л________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1.8. Эмиттерно-связанная логика(ЭСЛ)

1.8.1.Приведите основные характеристики. Эмиттерно-связанной логики.

1.8.2. Укажите уровни напряжений и логические выражения при 1 на входах элементов

1.8.3. Объясните быстродействие элементов ЭСЛ.

Раздел 2. Элементы и узлы цифровых устройств

2.1.Функциональные узлы комбинационного типа

2.1.1.Шифраторы.

1. Дать определение шифратора.

______________________________________________________________________________________________________________________________

2. .Заполнить недостающие ячейки таблицы.

3. Вычертить условное обозначение шифратора на 7 входов

4. Расшифровать марку микросхемы К155ИВ1

_______________________________________________________________

5. Используя таблицу пункта1. Записать логические выражения для всех разрядов.Х1, Х2, Х3, Х4.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6. Проследить по схеме логический сигнал, указать состояние выходов при заданном сигнале входа. Для каждого упражнения использовать свой цвет при маркировке  состояний входов и выходов.

Состояние выходов показать 1 и  0 разным цветом для разных значений Y.

2. Дешифраторы.

1. Дать определение дешифратора.

______________________________________________________________________________________________________________________________

2. Вычертить условное обозначение дешифратора на 3 входа.

3. Расшифровать маркуК155 ИД3. микросхемы и вычертить её функциональную схему. Проставить нумерацию выводов.

4. Заполнить недостающие ячейки таблицы истинности для дешифратора

5. Записать логические выражения для  каждого выхода.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6. Как расширить разрядность входного сигнала до 16 дешифратора при использовании микросхем дешифратора на 10 входов?   Начертите схему.

______________________________________________________________________________________________________________________________

7. Расшифровать состояние выходов по заданным сигналам входов.

Варианты задач выполнить разным цветом.

8. Объяснить работу прямоугольного дешифратора обозначая состояния выходов при  коде 8421 соответственно: 0111.  Логические уровни обозначать на входах и выходах соответственно  1и 0.

9. Проставить состояния выходов при коде 8421 состветсвенно:0101

Объяснить назначение этого узла. Найти микросхему по справочной информации. Начертить её функциональную схему.

3.  Мультиплексоры.

1. Приведите определение   мультиплексора и его графическое и буквенное  обозначение в схемах.

______________________________________________________________________________________________________________________________

2. Прочитать логику мультиплексора по схеме при заданных адресных  и информационных сигналах. Указать их на схеме разным цветом для каждого варианта.

3. Прочитать схему, дать её название определить состояния выходов по вариантам. Показать  состояния цветом для разных вариантов.

4.  Найти в справочной информации расшифровку обозначения микросхемы  K155КП5и привести её функциональную схему  с расшифровкой выводов.

2.1.4. Демультиплексоры.

1. Дать определение мультиплексора, привести   его условное буквенное  и графическое обозначение.

______________________________________________________________________________________________________________________________

2. Расшифровать обозначение микросхемы К561 КП2, привести её условное обозначение.

2.1.5.Цифровые компараторы.

1. Привести определение  компаратора, дать его условное обозначение.

_______________________________________________________________________________________________________________________

2.   Записать логические выражения для трех вариантов сравнения.

3. Показать  на схеме логику обработки  всех вариантов обработки входных сигналов. Для каждого варианта использовать свой  цвет.

2.1.6.Сумматоры.

1. Привести условное буквенное и графическое обознаение сумматора, дать определение.

______________________________________________________________________________________________________________________________

2. Расшифровать обозначение микросхем

      К155ИМ2 и К155ИМЗ

__________________________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________

3. Прочитать схему и обозначением выводов  1или 0 разным цветов для разных вариантов.

Расшифровать обозначение микросхемы.

4. Расшифровать обозначение микросхемы, пояснить её работу и назначение.

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. *  Выполнить схему восьмиразрядного сумматора, используя для этого две микросхемы К155ИМ3. Для этого вывод выходного переноса младших четырех разрядов соединить с выводом входного переноса старших четырех разрядов восьмиразрядного сумматора.

1. Функциональные узлы последовательного типа

2.2.1.Триггеры . Общие понятия

1. Определение триггера. а)_____________________________

                                    б)____________________________

2. Классификация входов триггеров  (привести расшифровку)

______________________________________________________________________________________________________________________________

3. Активный уровень сигнала на входе-это_________________________________________________________
4. Пассивный уровень сигнала на входе-это_________________________________________________________

4. RS- триггер

_____________________________________________________

1. Условное обозначение, логическая реализация   асинхронного RS- триггера , почему он так называется?

____________________________________________________________________________________________________________________________

2. Логическое выражение  и таблица истинности  для этого триггера.

5. Синхронный RS- триггер

1. Логическая схема, логическое выражение, таблица истинности синхронного RS- триггера

______________________________________________________________

6. D-триггер

Логическая схема, логическое выражение , условное обозначение

2.2.5.Твухтактный триггер. Определение, условное обозначение , логическая схема.

2.2.6.JK-триггер, условное обозначение, логическая схема, таблица истинности

2.2.7. D-триггер  на JK-триггере

2.2.8. Т-триггер  на JK-триггере

2.2.9  Объяснить работу , дать определение устройства .

2. Регистры

1. Классификация регистров

________________________________________________________________________________________________________________________

2. Привести схему и временную диаграмму сдвигового регистра  на D-триггерах

3. Привести схему и временную диаграмму  регистра преобразующего  последовательный код  в параллельный  на D-триггерах
4. Привести условное обозначение, расшифровать выводы микросхемы К155ИР1, объяснить её работу.

2.4.Счетчики.

1. Дать определение счетчика

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Привести схему  и диаграмму суммирующего двоичного счетчика

Каково будет состояние  выходов счетчика после 6- го входного импульса , если счетчик имеет N=4, а его первоначальное состояние  1 во всех разрядах?

5.Каков принцип построения реверсивного счетчика?

____________________________________________________________________________________________________________________________________

6. Привести условное обозначение, расшифровку выводов  и объяснить работу счетчика  К155ИЕ4

2.6.Делители частоты

1. Дать определение , привести пример делителя частоты на 2

____________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Привести временную диаграмму  для делителя частоты на рисунке.

Каков коэффициент деления?

3. Что такое каскадный делитель частоты?  Как получить коэффициент деления 10?

__________________________________________________________

4. Что такое счетчик  с  устанавливаемым коэффициеном пересчета?

Привести марку микросхемы на которй можетбыть посторен такой счетчик.

Источники информации

1.Калиш Г.Г. Основы вычислительной техники. -  М., Высшая школа, 2000

2.Калабеков Б.А.Цифровые устройства и микропроцессорные системы. -  М., Горячая линия – телеком, 2002

3. СтрыгинВ.В., ЩаревЛ. С. Основы вычислительной, микропроцессорной техники и программирования. – М., Высшая школа, 1989

4. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники - Москва-Санкт - Петербург , Лаборатория Базовых Знаний Невский Диалект, 2001

5. Браммер Ю.А.  Пащук И.Н. Импульсные и цифровые устройства-М, Высшая школа,2003

2.3 Запоминающие устройства

2.4 Цифро-аналоговые и аналого - цифровые преобразователи

Раздел 3. Элементная база схемотехники

3.1 Пассивные элементы

3.2 Активные элементы

3.3 Элементы оптоэлектроники

Контрольные вопросы

1. Какими электрическими сигналами представляют двоичные переменные?

2. Какие существуют методы задания булевых функций?

3. При четырёх переменных сколько возможно наборов значений переменных,

  сколько строк будет содержать таблица истинности?

4. С помощью какого правила можно конъюнкцию заменить дизъюнкцией и

  наоборот?

5. В чём состоит суть правила склеивания?

6. Как на электрических схемах изображаются инверторы, дизъюнкторы и

  конъюнкторы?

7. Что такое временные диаграммы?

8. Какова разница между аналоговым и цифровым сигналом?

9. Чем характеризуются микросхемы одной серии?

10. Какие логические функции реализуется при параллельном и последователь-

  ном соединении транзисторов?

11. Назовите основные параметры логических элементов.

12. Какие разновидности электрических схем вы знаете? В чём их разница?

Контрольные вопросы

  1. Какие узлы называют комбинационными?

  2. Назовите основные комбинационные узлы, которые рассматривались в дан-

     ном разделе.

  3. Какой стандартный узел имеет при n входах до 2n выходов и опишите его

     функционирование.

  4. Какие разновидности входов могут присутствовать у комбинационных уз-

     лов и каково их назначение?

  5. Что такое мультиплексор и как он функционирует?

  6. Что такое шифратор и как его можно использовать для организации клавиа-

     туры?

  7. Зачем нужен выход «групповой перенос» в шифраторе?

  8. Что такое демультиплексор и каким образом его можно реализовать на де-

     шифраторе?

  9. Какие входы и выходы имеются у микросхемы компаратора цифровых сиг-

     налов?

  10. Объясните принцип построения сложного дешифратора на основе множест-

     ва простых дешифраторов.

  11. Объясните принцип построения сложного мультиплексора на основе мно-

     жества простых мультиплексоров.

12. Как обозначаются информационные входы у дешифратора и входы селек-

  ции у мультиплексора?

13. Зачем нужен вход «Enable» у дешифратора и мультиплексора и как эти узлы

  будут работать при пассивном сигнале на этом входе?

14. Какие схемы соединения светодиодов в индикаторах вы знаете, как отлича-

  ются способы управления ими?

15. Зачем используют последовательно со светодиодами резисторы?

Контрольные вопросы

  1. Что такое триггер?

  2. Какими таблицами можно описать поведение триггера?

  3. Какова разница между активным и пассивным сигналами?

4. В чём разница между синхронным и асинхронным триггером?

5. Чем отличаются триггеры с потенциальным и динамическим управлением?

6. На что указывает наклонная черта на входе синхронизации?

7. Какие части импульса могут быть активными?

8. Какая комбинация входных сигналов триггера считается запрещённой?

9. Могут ли элементы триггера выйти из строя при подаче запрещённой ком-

  бинации?

10. Какой логический элемент следует использовать на входе триггера, чтобы

  изменить активность сигнала по этому входу?

11. Какое минимальное число входов у асинхронного RS-триггера и опишите

  их назначение?

12. На каких элементах строятся асинхронные RS-триггеры и определите для

  каждого случая запрещённую комбинацию сигналов?

13. Какова минимальная продолжительность активного сигнала на входе асин-

  хронного триггера, чтобы триггер устойчиво перешёл в противоположное

  состояние?

14. При каких условиях возможна генерация импульсов в триггере?

15. Объясните поведение триггера, предложенное на рисунке 3.7.

16. Объясните различие в условных обозначениях входов RS-триггеров на эле-

  ментах И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

17. Объясните причину использования более сложных двухступенчатых триг-

  геров и триггеров с динамическим управлением вместо простейших одно-

  ступенчатых?

18. Что добавляется к асинхронным триггерам для создания синхронных триг-

  геров?

19. Объясните наличие на временных диаграммах (рисунок 3.15) интервала не-

  предсказуемого поведения триггера.

20. Объясните, почему меняется состояние триггера (рисунок 3.16) в момент

  действия активного синхросигнала?

21. Почему D-триггер (рисунок 3.18) не имеет запрещённого состояния вход-

     ных сигналов?

  22. Объясните работу триггера, предложенного на рисунке 3.20.

  23. Могут ли оказаться в запрещённом состоянии D-триггер, предложенный на

     рисунке 3.30 и JK-триггер, предложенный на рисунке 3.27?

  24. Объясните временные диаграммы, предложенные на рисунке 3.23.

  25. Импульсы с какого входа считает синхронный T-триггер: импульсы, посту-

     пающие на вход T или на вход C?

  26. Как соотносятся частоты входных и выходных импульсов для триггера со

     счётным входом?

  27. Как D-триггер с динамическим управлением превратить в T-триггер?

Контрольные вопросы

1. Какие узлы называют накапливающими?

2. Что такое регистр и какие разновидности регистров вы знаете?

3. Что такое счётчик и какие разновидности счётчиков вы знаете?

4. Почему не проектируют микросхемы вычитающих счётчиков?

5. Предложите схему сдвигающего регистра на D-триггерах и на JK-

  триггерах.

6. Предложите схемы суммирующих и вычитающих счётчиков на D-

  триггерах и JK-триггерах.

7. Какие D-триггеры можно использовать в сдвигающих регистрах и счёт-

  чиках?

8. Какие разновидности цепей переноса вы знаете?

9. Счётчики с каким переносом обладают минимальным и максимальным

  быстродействием?

10. Как реализуется цепь переноса в счётчике со сквозным переносом?

11. Опишите принцип построения простейших счётчиков по произвольному

  основанию.

12. В каких счётчиках используются синхронные T-триггеры?

13. Объясните схемное решение одного разряда реверсивного сдвигающего

  регистра.

14. Опишите принцип организации реверсивного счётчика.