Экспериментальное исследование характеристик логических элементов и быстродействия триггеров 155 серии микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

 Рис. 1. Лабораторный  стенд  УМ11

АВМ2 Ампервольтметр

АВМ1 Ампервольтметр

ГН1 Генератор напряжения

ГТ Генератор тока

Рис. 2. Стенд  87Л-01

Лабораторная  работа  №1

ХАРАКТЕРИСТИКИ   ТТЛ-МИКРОСХЕМ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является экспериментальное исследование характеристик логических элементов и быстродействия триггеров 155 серии микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Uвх

Uвых

Uвых1

2.1. Снимите передаточную характеристику Uвых = f(Uвх) двухвходового логического элемента И-НЕ (рис. 3). Шаг приращения входного напряжения выберите неравномерный. Максимальное количество точек должно быть в области изменения выходного напряжения с уровня логической единицы до уровня логического нуля. Результаты измерений занесите в таблицу.

 

Рис. 3. Передаточная характеристика логического элемента  И-НЕ.

Переключатели измерительных приборов АВМ1 и АВМ2 установите в положение шкалы напряжения 5В (рис. 4), которому соответствует полное отклонение  стрелки  прибора при напряжении 5В.   Для  соединения  двух  стендов   УМ11  и   87Л-01 необходимо  спаять  провода  с  разным   диаметром  наконечников.  Например, соединение  минуса генератора тока (-ГТ) с плюсом ампервольтметра (+ АВМ2) и входом логического элемента И-НЕ выполняется жгутом из трех проводов. Два провода жгута должны быть с тонкими наконечниками для стенда УМ11, третий провод  – с наконечником большего диаметра для стенда 87Л-01. Чтобы на  второй вход элемента И-НЕ подать напряжение логической единицы, его можно соединить с выходом генератора логической единицы (+)  или оставить не подключенным.

 

Рис. 4. Схема  для  снятия  передаточной  характеристики  элемента  И-НЕ

-Iвх

2.2. Снимите входную характеристику логического элемента Iвх=f(Uвх) (рис. 5). Характеристику необходимо снять только в одном квадранте при отрицательных входных токах. Установите диапазон измерения тока 1мА прибора АВМ1, повернув его переключатель в положение измерения тока (рис. 6).

 

Uвх

“1”

&

АВМ2

Г Т

Стенд УМ11

Стенд 87Л-01

Рис. 5. Входная характеристика логического элемента

 

Рис. 6. Схема для снятия входной характеристики

2.3. Исследуйте  нагрузочную  способность  логического  элемента  И-НЕ

с двумя входами (рис. 7). На выходе элемента должно быть напряжение логического нуля U_{вых 0}, когда выходной транзистор микросхемы находится в режиме насыщения.  Для  этого  необходимо  подать логические единицы на входы того элемента, к выходу которого подключен вольтметр (рис. 8). Постройте зависимость Uвых=f(N), где N – число единичных нагрузок, подключенных к выходу логического элемента. N=0,1,2,3,4,5,6.

Рис. 7. Нагрузочная характеристика логического элемента

 

Рис. 8. Схема для снятия нагрузочной характеристики логического элемента при  N=3.

При выполнении п. 2.3  используйте в стенде УМ11 разветвитель сигналов, шесть гнезд которого соединены между собой и изолированы от электрической схемы. Выход элемента подключите к разветвителю, затем ко входу логического элемента, который применяется в качестве единичной нагрузки.

2.4. Измерьте временные параметры JK-триггеров в режиме переключения (рис. 9).

 

Рис. 9. Схема измерения  временных  параметров  ТТЛ-микросхем.

Измерение временных параметров выполняется двухлучевым осциллографом С1-83. С помощью переключателей установите масштабы: по вертикали – 2В/дел, по горизонтали – 0,5 мкс/дел. После этого установите масштаб по горизонтали – 0,1 мкс/дел переключателем × 0,2. Зарисуйте осциллограммы сигналог генератора и Q2. Осциллограммы должны показывать, с каким запаздыванием во времени происходит переключение сигнала Q2 из "1" в "0" и наоборот относительно измерения сигнала генератора.

2.5. Составьте таблицу истинности логических элементов: 2И-НЕ, И, 2И-ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ. Для каждого из указанных элементов измерьте выходное напряжение логического нуля и напряжение логической единицы. Результаты измерений запишите рядом с таблицей.

3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1. По данным п.2.2 постройте график передаточной характеристики логического элемента. Определите входное напряжение переключения U_пор выходного сигнала, исходя из условия U_вых = 0,5 U_{вых 1}.

3.2. Постройте графики входной характеристики и нагрузочной характеристики. С помощью нагрузочной характеристики определите количество единичных нагрузок, которое нужно подключить к выходу элемента, чтобы на выходе напряжение составило  0,4 В.

3.3. Зарисуйте осциллограммы напряжений п.2.4, обозначьте временные задержки переключения двух триггеров при переходе из единицы в ноль и из ноля в единицу, измеренные на уровне 0,5U₁.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ  ВОПРОСЫ  

4.1. Перечислите основные виды логик цифровых микросхем, назовите их основные преимущества и недостатки.

4.2. Назовите основные параметры цифровых микросхем.

4.3. Какой параметр цифровых микросхем определяет нагрузочную способность схем?

4.4. Какие параметры микросхемы можно определить из передаточной характеристики?

4.5. Дайте определение быстродействия цифровых микросхем. Поясните с помощью временных диаграмм, от чего зависит быстродействие.

4.6. Поясните вид входной характеристики логического элементы И-НЕ ТТЛ-микросхемы с помощью электрической схемы базового элемента и вольт-амперных характеристик входного транзистора.

4.7. Нарисуйте электрическую схему базового элемента ТТЛ. Определите режимы работы транзисторов в различных точках передаточной характеристики, построенной по экспериментальным данным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Прянишников В.А. Электроника: курс лекций. – СПб: Корона принт, 1998.

2. Угрюмов Е.П.  Цифровая схемотехника. – СПб: БХВ-Петербург, 2001.

3. Лачин В.Н., Савельев Н.С. Электроника: учебное пособие. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2000.