Водовозов А.М. Цифровая схемотехника. Рабочая программа и контрольные задания

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «УПРАВЛЯЮЩИЕ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ»

ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

Рабочая программа и контрольные задания

Факультет электроэнергетический

Специальность 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и

технологических комплексов»

Вологда

2002

УДК 621.382.2

Цифровая схемотехника. Рабочая программа и контрольные задания. Вологда,

ВоГТУ, 2002 - 19 с.

В методических указаниях описана программа курса "Цифровая схемотехника»

для студентов специальности 180400 "Электропривод и автоматика промышленных

установок и технологических комплексов". Приведены контрольные задания для

самостоятельной работы и подготовки к экзаменам.

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ

Составитель: Водовозов А.М., канд. техн. наук, доцент.

Рецензент: Анкудинов В.Б., канд. техн. наук, доцент.

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания предназначены для самостоятельной работы студентов

при изучении курса «Цифровая схемотехника».

За основу программы приняты требования Государственного образовательного

стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки

дипломированного специалиста 654500 «Электротехника, электромеханика и

электротехнологии» от 27 марта 2000 г. (регистрационный номер 227 тех/дс).

Приведенная в работе программа содержит все основные вопросы курса.

Контрольные задания по

дисциплине предназначены для самостоятельной работы

студентов при подготовке к экзамену.

Требования к знаниям и умениям по дисциплине

º Студент должен иметь представление о состоянии современной цифровой

схемотехники и основных тенденциях её развития.

º Студент должен знать: основные технологии производства цифровых схем,

компоненты схем, средства схемотехнического проектирования и

моделирования.

Распределение часов по видам занятий

Дневное обучение 5 семестр.

Виды занятий Часов по рабочему учебному плану

Лекции 17

Лабораторный практикум 17

Практические занятия -

Самостоятельная работа 56

Всего 90

Итоговый контроль Курсовой проект, экзамен

Заочное обучение 3 семестр

Виды занятий Часов по рабочему учебному плану

Лекции 8

Лабораторный практикум -

Практические занятия 4

Самостоятельная работа 78

Всего 90

Итоговый контроль Контрольная работа, экзамен

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

Цели и задачи курса

Цели и задачи курса. Современное состояние и перспективы развития

современной цифровой схемотехники. Источники информации.

Элементная база

Основные параметры логических элементов, технологии производства.

Стандартная логика

Логические элементы

Буферные элементы и шинные драйверы

Схемы с открытым коллектором, схемы с тремя выходными состояниями.

Триггеры

RS-триггеры, D-триггеры, JK-триггеры, Т-триггеры.

Комбинационные логические схемы

Преобразователи кодов, мультиплексоры и демультиплексоры, компараторы,

схемы контроля четности, сумматоры, арифметико-логические устройства, матричные

умножители.

Последовательностные логические схемы

Последовательные и параллельные регистры. Суммирующие, вычитающие и

реверсивные счетчики.

Программируемые логические интегральные схемы

Микросхемы PLM, FPLA, PAL, CPLD, FPGA.

Микросхемы памяти

Оперативные запоминающие устройства: микросхемы SRAM и DRAM. Постоянные

запоминающие устройства: микросхемы Mask ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash-

memory.

Технологии проектирования цифровых схем

Основные этапы проектирования БИС. Программные средства поддержки

проектирования. Графические, символьные, текстовые редакторы, редакторы диаграмм.

Языки проектирования цифровых устройств. Аппаратная поддержка проекта.

Заключение

Основные производители цифровой электроники. Современное состояние и

тенденции развития.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ (дневное обучение)

Лабораторный практикум по дисциплине выполняется в компьютерном классе с

использованием студенческой версии интегрированной среды Altera Max+plus II фирмы

Altera.

Перечень лабораторных работ:

º Лабораторная работа № 1. Проектирование комбинационных схем на элементах

стандартной логики.

º Лабораторная работа № 2. Проектирование счетчиков.

º Лабораторная работа № 3. Проектирование регистровых схем.

º .Лабораторная работа № 4. Проектирование конечных автоматовI.

ТЕМАТИКА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (заочное обучение)

º Тема 1. Системы счисления и двоичная арифметика.

º Тема 2. Проектирование комбинационных схем.

º Тема 3. Проектирование счетчиков и регистровых схем.

º Тема 4. Проектирование конечных автоматов.

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ (дневное обучение)

В курсовом проекте студентам предлагается спроектировать цифровую схему с

заданными характеристиками в среде Altera Max+plus II. В ходе проектирования студент

должен ознакомиться с состоянием проблемы, разработать структурную схему изделия,

произвести необходимые расчеты, разработать все компоненты схемы, собрать проект и

проверить его работоспособность.

Разработка структурной схемы

При структурном описании схема представляется в виде совокупности

взаимосвязанных компонентов более низкого уровня. Такими компонентами могут быть:

логические элементы, комбинационные и последовательностные логические схемы,

описанные в виде таблиц или временных диаграмм, стандартные интегральные схемы

малой и средней степени интеграции.

Структурная схема определяет основные компоненты схемы, их назначение и

связи. Разработки

такой схемы подразумевает принятие решений о включении того или

иного компонента в состав изделия, описание взаимодействия компонентов при работе

схемы.

Разработка компонентов схемы

Компоненты схемы разрабатываются в соответствии с требованиями структурной

схемы с использованием графического и текстового редакторов среды проектирования,

редактора временных диаграмм.

Отдельные модули описываются логическими выражениями, схемами на

элементах стандартной логики, временными диаграммами, таблицами и графами

переходов, текстами программ на языке AHDL..

Для каждого компонента создается его символическое обозначение.

Сборка проекта

Сборка схемы подразумевает объединение всех компонентов в единый проект,

компиляцию проекта, устранение всех синтаксических ошибок.

Моделирование

Моделирование является заключительным этапом работы, подтверждающим

правильность принятых решений, доказывающим работоспособность схемы и её

соответствие требованиям технического задания. Результаты моделирования

оформляются с использованием диаграмм, графиков таблиц, сообщений, полученных в

ходе исследования компьютерной модели. Программа исследований разрабатывается

студентом самостоятельно.

Контрольные задания (заочное обучение)

Варианты заданий определяются по двум последним цифрам числа Nx9, где N –

две последние цифры номера студенческого билета.

Задача 1. Системы счисления

Формулировка задачи

1. Перевести заданные числа А и В из десятичной системы в двоично-десятичную,

двоичную, восьмеричную и шестнадцатиричную системы счисления.

2. Вычислить в двоичной системе счисления А+В, А-В, В-А, -A-B, используя

шестнадцатиразрядную сетку и представление отрицательных чисел в

дополнительном коде. Результаты перевести в десятичную систему счисления.

Варианты заданий

Таблица 1

Варианты заданий

Вариант

A В

Вариант

А В

Вариант

А В

Вариант

А В

Вариант

А В

00 123 7145 01 174 6936 02 192 6893 03 207 6789 04 224 6678

05 231 6567 06 242 6456 07 253 6345 08 264 6234 9 275 6123

10 286 6012 11 297 5901 12 308 5890 13 319 5789 14 320 5678

15 331 5567 16 342 5456 17 353 5345 18 364 5234 19 375 5123

20 386 5012 21 397 4901 22 408 4890 23 419 4789 24 430 4678

25 441 4665 26 452 4652 27 463 4639 28 474 4626 29 485 4613

30 496 4600 31 507 4587 32 518 4574 33 529 4561 34 531 4548

35 542 4515 36 553 4502 37 564 4489 38 575 4476 39 586 4463

40 597 4450 41 608 4437 42 619 4424 43 630 4411 44 641 4398

45 652 4385 46 663 4372 44 674 4359 45 685 4346 45 696 4333

50 707 4321 51 718 4308 52 729 4295 53 740 4281 46 751 4267

55 762 4252 56 773 4237 57 784 4222 58 795 4207 59 806 4192

60 817 4176 61 828 4150 62 839 4134 63 850 4118 64 861 4102

65 872 4083 66 883 4066 67 894 4049 68 905 4032 65 916 4015

70 927 3998 71 938 3981 72 949 3973 73 960 3956 74 971 3939

75 982 3921 76 993 3903 77 1004 3885 78 1015 3867 79 1026 3849

80 1037 3822 81 1048 3811 82 1059 3798 83 1070 3787 84 1081 3776

85 1092 3764 86 1103 3753 87 1114 3742 88 1125 3730 89 1136 3721

90 1147 3715 91 1158 3702 92 1169 3691 93 1180 3679 94 1191 3664

95 1202 3653 96 1213 3640 97 1224 3623 98 1235 3610 99 1246 3595

Пример решения

1. Перевод в различные системы счисления.

Исходные данные: А=1533 и В=4374.

Перевод в двоично-десятичную систему счисления:

1=b0001, 5=b0101, 3=b0011, 4=b0100, 7=b0111.

Ответ: 1533= bcd 0001 0101 0011 0011.

7374=bcd 0100 0011 0111 0100.

Перевод в двоичную систему:

1533/2=766/2=383/2=191/2=95/2=47/2=23/2=11/2=5/2=2/2=1/2=0

Остатки: 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1

Ответ: 1533 = b10111111101.

7374/2=3687/2=1843/2=921/2=460/2=230/2=115/2=57/2=

Остатки: 0 1 1 1 0 0 1 1

=28/2=14/2=7/2=3/2=1/2=0

Остатки: 0 0 1 1 1

Ответ: 7347 =b1110010110011

Перевод в восьмеричную систему:

1533/8=191/8=23/8=2/8=0

Остатки: 5 7 7 2

Ответ: 1533=q2775.

7347/8=918/8=114/8=14/8=1/8=0

Остатки: 3 6 2 6 1

Ответ: 7347=q16263.

Перевод в шестнадцатиричную систему:

1533/16=95/16=5/16=0

Остатки: D F 5

Ответ: 1533=h5FD.

7347/16=459/16=28/16=1/16=0

Остатки: 3 B C 1

Ответ: 7347=h1CB3.

2. Сложение и вычитание двоичных чисел

1533 = b 00000101 11111101

+7347 = b 00011101 00010111

8880 b 00100010 10110000

1533 = b 00000101 11111101

- 7347 = b 11100011 01001101

-5814 = b 11101001 01001010

- 1533 = b 11111010 00000011

+ 7347 = b 00011100 10110011

6014 = b 00010111 01111110

- 1533 = b 11111010 00000011

- 7347 = b 11100011 01001101

- 8880 = b 11011101 01010000

Задание 2 Синтез комбинационных схем

Формулировка задачи

3. В последнюю строку таблицы истинности (табл. 2) вписать заданное

восьмиразрядное двоичное число Y. Представить логическую функцию,

заданную таблицей истинности, в дизъюнктивной совершенной нормальной

форме и в виде карты Карно.

Таблица 2.

Таблица истинности логической функции

А 0 0 0 0 1 1 1 1

В 0 0 1 1 0 0 1 1

С 0 1 0 1 0 1 0 1

4. Используя карту Карно минимизировать рассматриваемую логическую функцию.

5. Построить схему, реализующую заданную функцию на наборе логических

элементов И (AND), ИЛИ (OR), НЕ (NOT).

6. Построить схему, реализующую заданную функцию на наборе логических

элементов И-НЕ (NAND).

7. Построить схему, реализующую заданную логическую функцию на основе

мультиплексора 4х1.

8. Построить схему, реализующую заданную логическую функцию на основе

дешифратора 3х8.

Варианты заданий

Таблица 3.

Варианты заданий

Вариант

00 00110111 01 01101110 02 11011100 03 10111001 04 01110011

05 11100110 06 11001101 07 10011011 08 10101110 9 01011101

10 10111010 11 01110101 12 11101010 13 11010100 14 10101001

15 11111000 16 11110001 17 11100011 18 11000111 19 10001111

20 00011111 21 00111110 22 01111100 23 11110100 24 11101001

25 11010011 26 10100111 27 01001111 28 10011110 29 00111101

30 01111010 31 11101100 32 11011001 33 10110011 34 01100111

35 11001110 36 10011101 37 00111011 38 01110110 39 11110010

40 11100101 41 11001011 42 10010111 43 00101111 44 01011110

45 10111100 46 01111001 47 11110010 48 11100101 49 11001011

50 10010111 51 00101111 52 01011110 53 10111100 54 01111001

55 11100110 56 11001101 57 10011011 58 00110111 59 01101110

60 11011100 61 10111001 62 01110011 63 11100011 64 11000111

65 10001111 66 00011111 67 00111110 68 01111100 69 11111000

70 11110001 71 11101010 72 11010101 73 10101011 74 01010111

75 10101110 76 01011101 77 10111010 78 01110101 79 11001101

80 10011011 81 00110111 82 01101110 83 11011100 84 10111001

84 01110010 86 10110101 87 01101011 88 11010110 89 10101101

90 01011011 91 10110110 92 01101101 93 11011010 94 10110101

95 00110111 96 01101111 97 11011110 98 10111101 99 01111011

Пример решения

3. Задано Y= 00110101.

Таблица истинности логической функции

А 0 0 0 0 1 1 1 1

В 0 0 1 1 0 0 1 1

С 0 1 0 1 0 1 0 1

Y 0 0 1 1 0 1 0 1

Запись логической функции в совершенной дизъюнктивной нормальной форме:

ABCCBABCACBAY ∨∨∨=

Запись логической функции в виде карты Карно:

00 01 11 10

Рис. 1. Карта Карно

4. Минимизация логической функции.

На карте Карно выделяем две группы единиц, расположенных в соседних клетках.

(рис. 2).

00 01 11 10

Рис. 2. Минимизация логической функции

Ответ: Минимизированная логическая функция имеет вид:

CACBY ⋅∨⋅=

5. Схема на элементах И, ИЛИ, НЕ.

CBACY ∨=

Рис. 3. Схема на элементах И, ИЛИ, НЕ

6. Схема на элементах И-НЕ.

Для построения схемы преобразуем минимизированное логическое уравнение по

теореме де Моргана:

)CA()CB(CACBY ⋅⋅⋅=⋅∨⋅=

. По полученному уравнению строим

схему.

CB ⋅

)CA()CB(Y ⋅⋅⋅=

Рис. 3. Схема на элементах И-НЕ

6. Схема на базе мультиплексора

Для построения схемы воспользуемся таблицей истинности логической функции.

Две входные переменные А и В подаются на адресные входы мультиплексора А0, А1. На

входы данных DI[0..3] можно подавать 0, 1, С или

MUX

Vcc

Рис. 4. Пример схемы на мультиплексоре

В соответствии с таблицей DI0=0, DI1=1, DI2=DI3=C. Соответствующая схема

изображена на рис. 3.

Вопросы для самопроверки

Вопросы предназначены для самостоятельной работы студентов при изучении

отдельных разделов курса и при подготовке к экзаменам.

1. Привести таблицы истинности и условные обозначения логических элементов:

AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR.

2. Сравнить основные параметры логических элементов стандартной ТТЛ-логики

серий 74, 74L, 74H.

3. Сравнить основные параметры логических элементов ТТЛ-логики с диодами

Шоттки серий 74S и 74LS.

4. Сравнить основные параметры

логических элементов перспективной ТТЛ-логики

серий 74F, 74ALS, 74S.

5. Сопоставить параметры логических элементов CMOS-логики серий CD4K, 74HC,

74HCT, 74AC, 74ACT, 74ALVC.