Національний університет “Львівська політехніка”
Інститут комп’ютерної техніки, автоматики та метрології
Кафедра “Електронні обчислювальні машини”
Методичні вказівки до практичних робіт з курсу “Комп’ютерна електроніка”
Львів – 2003

Методичні вказівки до лабораторних робіт складені у відповідності до освітньо-професійної програми Галузевого стандарту вищої освіти напряму 0915 “Комп’ютерна інженерія”.
Методичні вказівки до практичних робіт з “Комп’ютерної електроніки” складені старшим викладачем Паньківим Русланом Степановичем.
___ травня 2003 року __________________
Методичні вказівки до лабораторних робіт обговорені та схвалені на засіданні кафедри електронних обчислювальних машин.
Протокол №__ від “___” _______ 2003 р.
Завідувач кафедри електронних
обчислювальних машин ___________________ проф., д.т.н. Мельник А.О.
Методичні вказівки до лабораторних робіт обговорені та схвалені на засіданні методичної комісії базового напряму 0915 “Комп’ютерна інженерія”.
Протокол №__ від ___ червня 2003 р.
Вступ
При всій різноманітності математичних операцій, що виконують сучасні комп’ютери, основу опису функціонування обчислювальних пристроїв становлять достаньо прості положення алгебри логіки, або булевої алгебри. В булевій алгебрі змінні та їх функції є бінарними, тобто вони можуть приймати тільки два значення — 0 та 1. Над змінними можуть виконуватися три основні операції: логічне додавання (кон’юнкція), логічне множення (диз’юнкція) та логічне заперечення (інвертування), що відповідає простим логічним функціям АБО, І та НІ. Для реалізації логічних функцій використовуються відповідні логічні схеми.
Логічні схеми працюють з сигналами напруги, рівні яких відповідають значенням бінарних операндів. При цьому, як правило, за значення логічної одиниці прийнятий високий, додатній потенціал, а за значення логічного нуля — низький, нульовий потенціал. Очевидно, що до складу логічних схем повинні входити елементи, що мають два стійких стани, один з яких відповідає одиниці, а інший — нулю. Цій вимозі задовільняють напівпровідникові діоди та транзистори (в дискретному або інтегральному виконанні), які найбільш часто використовуються в логічних схемах.
Виконання практичних робіт
Практичні роботи з курсу “Комп’ютерної електроніки” полягають в дослідження особливостей реалізації цифрових логічніх вузлів на різній елементній базі, а саме, на основі напівпровідникових діодів, біполярних та польових транзистрів. Кожен студент згідно власного варіанту отримує логічну функцію чотирьох змінних F(x4, x3, x2, x1), яка приймає одиничне значення на вказаних наборах. Номер варіанту — порядковий номер прізвища студента у списку групи, який веде керівник практичних робіт. Варіанти індивідуального завдання приведені у табл. 1.
Таблиця 1
№ варіанта
Одиничні набори (x4, x3, x2, x1),
Опір допоміжних резисторів R

1
0, 1, 2, B, F
1 кОм

2
1, 2, 3, E, F
1 кОм

3
2, 3, 4, C, D
1 кОм

4
3, 4, 5, A, B
1 кОм

5
4, 5, 6, A, E
1,5 кОм

6
5, 6, 7, B, F
1,5 кОм

7
6, 7, 8, A, B
1,5 кОм

8
7, 8, 9, B, F
1,5 кОм

9
0, 1, 2, E, F
2 кОм

10
1, 2, 3, B, F
2 кОм

11
2, 3, 4, C, E
2 кОм

12
3, 4, 5, B, F
2 кОм

13
4, 5, 6, A, B
2,5 кОм

14
5, 6, 7, E, C
2,5 кОм

15
6, 7, 8, A, C
2,5 кОм

16
7, 8, 9, E, F
2,5 кОм


Задану функцію F(x4, x3, x2, x1) необхідно мінімізувати, записати в аналітичному вигляді (формулі) та синтезувати на основі відповідної елементної бази. Синтезовану логічну схему задати та промоделювати в симуляторі цифрових і аналогових схем Electronics WorkBench 5.12. При моделюванні схеми, вважати, що напруги вхідних сигналів високого та низького рівнів відповідають напрузі живлення та заземлення — +5 В та 0 В.
За допомогою віртуального вольтметра визначити (виміряти) напругу вихідного сигналу, яка відповідає значенню заданої логічної функції F(x4, x3, x2, x1). Отримані рівні логічних “0” або “1” вихідного сигналу при кожному наборі вхідних сигналів записати в таблицю істинності функції, реалізація якої досліджується.
У звіті з практичної роботи необхідно привести повну та мінімізовану диз’юнктивні форми заданої функції, її таблицю істинності та відповідні виміряні рівні вихідної напруги. Також потрібно навести принципову електричну схему реалізації функції на основі відповідних елементів. У висновку відзначити особливості реалізації заданої логічної функції F(x4, x3, x2, x1) на заданій елементій базі.
Теоретичні відомості до практичної роботи № 1Реалізація логічних функцій на основі напівпровідникових діодів
Напівпровідниковим діодом називається пристрій з двома виводами, який містить один електронно-дирочний перехід. Найбільш широке застовування отримали кремнієві та германієві напівпровідникові діоди, а також діоди, що виконані на основі арсеніда галія. Виводи діода називаються анод та катод. Якщо до аноду прискласти високий потенціал (відносно катода), то опір напівпровідникового діода буде малим (одиниці – десятки Ом) і через нього буде протікати прямий струм значної величини. При цьому, на діоді виникає падіння рівня напруги, що приблизно рівне 0,6 В. В іншому випадку, якщо на аноді присутня напруга, потенціал якої менший, ніж потенціал катода, то опір напівпровідникового діода буде великим (сотні – тисячі кОм) і, відповідно, через нього практично не буде протікати струм.
За допомогою напівпровідникових діодів можна реалізувати тільки логічні функції АБО та І, для виконання логічного заперечення потрібно використовувати напівпровідникові транзистори. На рис. 1 приведено найпростіші логічні схеми, що реалізують, відповідно, операції логічного множення та додавання.

Рис. 1. Реалізація елементарних логічних функцій на основі напівпровідникових діодів: а) схема 2І; б) схема 2АБО.
На рис. 1а приведений двовходовий кон’юнктор, що виконаний на діодах D1 та D2, навантажувальний резистор R використовується для формування напруги вихідного сигналу. Якщо на входах схеми присутні вхідні сигнали Х1 та Х2 високих логічних рівнів, то діоди D1 та D2 будуть закриті і на виході схеми встановиться високий потенціал. Якщо на катоді хоча б одного діода буде низький логічний рівень, то відповідний діод відкриється, через нього буде проходити струм, який зумовить падіння напруги на резисторі R і на виході схеми встановиться низький логічний рівень. Таким чином, схема, що приведена на рис. 1а виконує логічне множення.
На рис. 1б приведений двовходовий диз’юнктор, який реалізований на діодах D1 та D2, навантажувальний резистор R використовується для формування напруги вихідного сигналу. Якщо на входах схеми присутні вхідні сигнали низьких логічних рівнів, то діоди D1 та D2 будуть закриті і на виході встановиться низький потенціал. Якщо на аноді хоча б одного діода буде високий логічний рівень, то відповідний діод відкриється, через нього буде проходити струм, який зумовить падіння напруги на резисторі R і на виході схеми встановиться високий логічний рівень. Таким чином, схема, що приведена на рис. 1а виконує логічне додавання.
Очевидно, що при необхідності реалізації логічних вентелів, які мають більшу кількість входів, потрібно використовувати додаткові паралельно включені діоди. Із збільшення кількості входів логічного елемента відповідно зростають струми через навантажувальні резистори R. Внаслідок цього, вихідні напруги високого та низького логічних рівнів зближуються між собою і наступні каскади логічної схеми не зможуть правильно розрізняти логічні рівні вхідних сигналів. Тому з метою забезпечення надійної правильної роботи логічних схем кількість входів елементарних логічних вентелів не перевищує 5.
Оскільки за допомогою напівпровідникових діодів не можливо реалізувати логічне заперечення, то при моделюванні в симуляторі Electronics WorkBench 5.12 заданої логічної функції F(x4, x3, x2, x1) потрібно використати допоміжні інвертори для формування інверсних значень вхідних операндів.
Наприклад, реалізувати двовходовий логічний елемент Виключне–АБО (сума по модулю 2, XOR), якщо опір кожного допоміжного резистора рівний 1 кОм.
1. В аналітичному вигляді функція виглядає наступним чином:
(1)
2. На рис. 6 приведена принципова схема, що синтезована на діодах.

Рис. 2. Принципова схема двовходового елемента Виключне–АБО, що реалізована на напівпровідникових діодах
3. Таблиця істиності та логічні рівні вихідного сигналу логічної схеми, що реалізована на діодах (рис. 2), приведені в табл. 2.
Таблиця 2.
№
Х2
Х1
F(X1,X2)
Вихідна напруга

1
0
0
0
0,13 В

2
0
1
1
2,24 В

3
1
0
1
2,25 В

4
1
1
0
0,13 В


Теоретичні відомості до практичної роботи № 2Реалізація логічних функцій на основі біполярних транзисторів
Біполярним транзистором називається напівпровідниковий пристрій, який містить два pn–переходи, має не менше трьох виводів та здатний підсилювати потужність вхідного сигналу. В біполярних транзисторах використовуються носії заряду двох типів. Основним елементом транзистора є кристал кремнія або германія,