Все возможности стенда реализованы в девятнадцати лабораторных работах: логические элементы, формирователь импульсов и генераторы, триггер Шмитта, интегральные триггеры, универсальный сдвиговый регистр, счетчик с последовательным переносом, универсальный двоично-десятичный счетчик, дешифраторы, преобразователи кода, АЛУ, ОЗУ, ЦАП и АЦП.
Принципиальная схема стенда выполнена в основном на тех микросхемах, которые исследуются в лабораторных работах. Для индикации входных и выходных уровней микросхем применены светодиоды АЛ307БМ (светящийся светодиод соответствует логической "1" уровня ТТЛ). Питание подается постоянно на все микросхемы.
В правом верхнем углу стенда расположен галетный переключатель на десять положений, с помощью которого коммутируются необходимые для той или иной работы светодиоды, а все остальные при этом не работают.
Принципиальная схема стенда выполнена в виде схем отдельных узлов, представленных на лицевой панели.
Узел дешифраторов состоит из микросхем D11 типа К514ИД2 и светодиодной матрицы Н1 типа АЛС333Б, которые работают совместно с узлом счетчика. Этот узел позволяет наблюдать дребезг контактов кнопки S1. При этом сначала надо установить счетчик в нулевое состояние путем нажатия кнопки S2.При нажатии кнопки S1 вырабатывается серия импульсов, образующихся при дребезге кнопки, которая передается через элементы D1.2 и D5.2 на счетный вход счетчика и подсчитывается им. Пока не отпущена кнопка S1, уровень логической "1" с этой кнопки разрешает прохождение импульсов с частотой 1 Гц, что позволяет отличить данный режим работы от других. Резистор R5 формирует на входе элемента D1.2 уровень логического "0", в то время, когда подвижный контакт кнопки S1 находится в промежуточном положении и не касается неподвижных контактов. Это необходимо для обеспечения правильной работы схемы при исследовании дребезга S1 (регистрация дребезга только при нажатии S1).
Дешифратор двоичного кода реализован на второй половине микросхемы DD11 типа К514ИД2. Для включения только второй половины микросхемы необходимо подать на вход W2 логический "0", что и делает галетный переключатель, когда включает цепь: земля - вход W2 (положение переключателя S14.2 - восьмое). Код (адрес) передается от счетчика DD3 по адресной шине А1 и А2. Выходные логические уровни индицируются светодиодами НL58-HL62.
Демультиплексор DD11 типа К155ИД4 используется вместе с мультиплексором DD10 типа К155КП7. Входные логические уровни мультиплексора задаются переключателями S5-S8, адресная шина подключена к выходной шине счетчика DD3, который также необходим в этой работе. Третий адресный вход А3 соединен со входом V и с землей через галетный переключатель S14.2:7. Вход А3 соединен с "землей", так как используются только четыре входа мультиплексора, а вход V соединен с "землей", так как это вход разрешения, а также потому, что это инверсный вход. Входные и выходные логические уровни индицируются светодиодами HL48 - HL53.
Демультиплексор DD11 работает только, когда галетный переключатель S14.2 находится в положении "семь". В этом случае на вход W1 подается логический "0", который включает половину дешифратора К155ИД4 - DCD. На вход Е подается информация с мультиплексора DD10. Диоды VD7, VD8 необходимы для обеспечения правильной работы демультиплексора, а также R77 - R79, создающие необходимый логический уровень на выходах демультиплексора -E, W1, а также W2. Входные логические уровни индицируются светодиодами HL52, HL53, выходными светодиодами HL54 - HL57. Диоды VD4, VD5 необходимы для того чтобы не отключались светодиоды счетчика DD3. Диоды VD7, VD8 также необходимы как развязывающие при работе мультиплексора и демультиплексора в режиме уплотнения каналов.
Узел арифметико-логического устройства выполнен на микросхеме DD13 типа К155ИП3. На входы операнда А поданы соответствующие логические уровни, выраженные словом-1011, это сделано из-за необходимости уменьшить количество переключателей, что в свою очередь существенно уменьшает габариты корпуса стенда. На входы операнда В подаются логические уровни С переключателей S5 - S8, которые могут изменять операнд В. Входы выбора режима работы - входы S - подключены к выходным шинам счетчика DD3, который и управляет входами S (то есть входы определяющие операцию, выполняемую с операндами А и В). Входы S выполняют функции задатчика кода операции, они могут быть либо 16 арифметических, либо 16 логических. Вход М - вход выбора вида операций, в зависимости от положения переключателя S13 выполняются либо арифметические, либо логические операции. Выход "А=В" - выход цифрового компаратора, определяющего соотношения между операндами А и В, выход Сn+4-выход переноса, который показывает переполнение выходной шины АЛУ. Входные и выходные уровни логической информации индицируется светодиодами HL64 - HL74.
Узел оперативно - запоминающего устройства (ОЗУ) реализован на микросхеме DD13. Входы адресной шины подключены к выходной шине счетчика DD3. Входы данных подключены к переключателям S5 - S8. Вход разрешения записи - вход WE задается через переключатель S13, вход выбора кристалла - вход CS - задается переключателем S9. Входные и выходные логические уровни индицируются светодиодами HL63, HL75 - HL83.
Узел аналого-цифрового и цифро-аналогового устройств ( соответственно АЦП и ЦАП) выполнен на микросхеме DA1 типа К551УД2А, в которую входят два операционных усилителя (ОУ) - DA1.1 и DA1.2. ЦАП реализован на ОУ DA1.1, подключенный инверсным входом к сопротивлениям R89-R92, соединенные в свою очередь с выходной шиной счетчика DD3. Выходной сигнал снимается с гнезда Х50. АЦП реализован на той же схеме ЦАП с подключением ко входу счетчика DD3 "прямой счет" элемента И-НЕ, к которому подключены формирователь и ОУ DA1.2 выходом через инвертор. ОУ DA1.2 работает в качестве аналогого компаратора, на один из входов которого подается изменяющееся, с помощью сопротивления R1, входное напряжение. Аналоговый компаратор реализован, как уже было сказано выше, на ОУ DA1.2. В этих работах на стенде используются гнезда Х46 - Х51.
Коммутация всех лабораторных работ осуществляется галетным переключателем S14. Он подключает напряжение питания (+5 В) секцией S14.1 или общий провод секцией S14.2 для подачи напряжения на светодиоды соответствующей лабораторной работы. При включении логики ("Л"), что соответствует проведению лабораторной работы "логические элементы" плюс 5 В (через S14.1:1) подается на светодиоды HL30, HL32, HL33, HL35. Во всех остальных положениях переключателя S14.1 питание подается на светодиод HL34, так как он используется во всех лабораторных работах, кроме работы "логические элементы". На индикаторную матрицу питание подается только в положении S14.1:6 при изучении работы дешифратора. На светодиоды HL31, HL36 - HL47 и HL4 - HL13 питание подается только в соответствующих положениях переключателя S14.2. ("Ф", "Т", "Р"), поскольку при других работах эти узлы не используются. На светодиоды HL24, HL25 питание подается в положениях S14.2 "С", "Д", "П", "ALU", "RAM" и "ЦАП и АЦП", для чего используются развязывающие диоды VD3 - VD5. На остальные светодиоды счетчика DD3 и светодиоды мультиплексора, ALU питание подается только в соответствующих положениях переключателя S14.2. Светодиоды HL75 - HL78 питание плюс 5 В подается в положении переключателя S14.1:10, это сделано из-за того что выходы микросхемы инверсные, остальные светодиоды HL63, HL79 - HL83 подключаются к питанию через переключатель в положении S14.2:10.
Около каждой микросхемы установлены конденсаторы С2 - С14. Они служат для уменьшения высокочастотных пульсаций по цепям питания и предотвращают возможное появление высокочастотной генерации микросхем. Для уменьшения низкочастотных пульсаций служит электролитический конденсатор С1, емкостью 500 мкФ.
В схеме предусмотрены также формирователь логической "1", собранный на транзисторе VT (КТ815А) и стабилитроне VD2 (КС147А). Он собран по схеме простейшего стабилизатора напряжения, и особенностей не имеет. Этот узел необходим, поскольку напряжение плюс 5 В нельзя непосредственно подавать на входы микросхем (допускается подача на вход U<=4,5 В по ТУ). В условиях изменяющейся нагрузки (кнопки и переключатели могут быть в разных положениях, подключая различное количество цепей со светодиодами) одинаковую яркость свечения светодиодов в любой ситуации может обеспечить только стабилизатор напряжения.
В схеме предусмотрена параллельная защита от неправильного включения источника питания. Она содержит стабилизатор VD1 (КС156А) и предохранитель F1 на 0,5 А.
В нормальном режиме работы, то есть когда напряжение на входе включено в правильной полярности и не превышает 5,6 В, стабилитрон VD1 закрыт, и не оказывает никакого влияния на работу остальной части схемы. Если же напряжение на входе превысит напряжение стабилизации стабилитрона VD1 (5,6 В), последний входит в режим лавинного пробоя и ограничивает подаваемое на остальную часть схемы напряжение на уровне, не превышающем 6 В. Поскольку ограничивающее сопротивление отсутствует, то ток через предохранитель и стабилитрон течет большой, и поэтому предохранитель быстро расплавляется, разрывает питание схемы.
Похожие процессы происходят и при неправильном подключении полюсов источника питания. Предохранитель F1 и в этом случае также быстро расплавляется, разорвав питание схемы.
Для питания стенда необходим внешний источник питания с Uпит=5 В + 0,5 В и током не менее 0,5 А.
2.3. Электрический расчет принципиальной схемы
2.3.1. Расчет дешифратора.
Дешифратор - это электронный узел, осуществляющий микрооперацию преобразования сигналов входного
n - разрядного кода числа в выходной сигнал на одной из m=2
выходных шин. Сигналы, соответствующие переменным входного кода - Х1, Х2, ... Хn, выходные сигналы дешифратора - Y1, Y2, ... Ym ,Ym.
Дешифраторы являются узлами комбинационного типа, в которых каждой комбинации входных аргументов соответствует одна и только одна единичная выходная функция. Выходные функции дешифратора описываются следующей системой логических выражений:
Y1=X1*X2* ... *Xi* ... *Xn *Xn (2.3.1)
Y2=X1*X2* ... *Xi* ... *Xn *Xn (2.3.2)
Yi=X1*X2* ... *Xi* ... *Xn *Xn (2.3.3)
Ym =X1*X2* ... *Xi* ... *Xn *Xn (2.3.4)
Ym=X1*X2* ... *Xi* ... *Xn *Xn (2.3.5)
Из системы уравнений следует, что для построения дешифратора, преобразующего n - разрядный двоичный код, необходимо иметь m электронных логических элементов И с n входами каждый. Функциональная схема линейного дешифратора построена для случая n=3 на рис.2.3.1.
