Файл: Учебнометодический комплекс дисциплины (сокращенная версия) Электротехника, электроника и схемотехника Часть 3 схемотехника комплект материалов для студентов для специальностей.pdf

Учебно-методический комплекс дисциплины
(сокращенная версия)
Электротехника, электроника и схемотехника
Часть 3: СХЕМОТЕХНИКА комплект материалов для студентов для специальностей:
-
09.03.01 «Информатика и вычислительная техника»;
-
09.03.02 «Информационные системы и технологии»
набор 2020
Составитель: канд. техн. наук, доцент каф. АППиЭ
Теличенко Денис Алексеевич
Благовещенск 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ
1.
Выдержки из рабочей программы дисциплины……………………... 3 1.1.
Общая информация……………………………………………….. 3 1.2.
Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе…….. 3 1.3.
Структура дисциплины (часть 3 «Схемотехника») ..................... 3 2.
План-конспект лекций по каждой теме……………………………… 6 2.1. Глава 1 «Теоретические основы цифровой схемотехники»…… 6 2.2. Глава 2 «Технические основы схемотехники»………………….. 9 3.
Учебно-методические материалы дисциплины……………………... 13 3.1.
Перечень литературы………………............................................... 13 3.2.
Перечень программного обеспечения и Интернет-ресурсов….. 14 4.
Практические работы…………………………………………………. 15 4.1.
Темы и рассматриваемые вопросы занятий…………………….. 15 4.2.
Темы и рассматриваемые вопросы контрольных работ………... 18 5.
Лабораторные работы…………………………………………………. 20 5.1.
Методическое пособие…………………………………………… 20 5.2.
Перечень программных продуктов и методические указания по их применению…………………………………………...
20 5.3.
Требования к лабораторным работам…………………………… 24 6.
Освоение дисциплины………………………………………………… 26 6.1. Методические указания….............................................................. 26 6.2.
Самостоятельная работа и домашние задания (РГР)………….. 27 7.
Экзамен……………………………………………………………........ 29 7.1 Требования к экзамену и состав билетов………………………… 29 7.2
Вопросы к экзамену……………………………………………….. 29 8.
Вспомогательные материалы…………………………………………. 33 8.1.
Варианты заданий на РГР……………………………………….... 33 8.2.
Перечень выдаваемых отдельно электронных документов……. 43
ЭЭиС. Часть 3«Схемотехника»: комплект материалов для студентов - 2 -

1.
ВЫДЕРЖКИ ИЗ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ ДИСЦИПЛИНЫ
1.
1. ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Дисциплина «Электротехника, электроника и схемотехника», часть 3
«Схемотехника»;
Всего: 9 лекций, 9 практик, 9 лабораторных занятий;
Экзамен.
1.
2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ
ПРОЦЕССЕ
Цели дисциплины:
- формирование у студентов способностей инсталлировать программное и аппаратное обеспечение для информационных и автоматизированных систем;
- формирование у студентов способности участвовать в настройке и наладке программно-аппаратных комплексов.
Задачи дисциплины:
- изучение основных законов электротехники, цепей постоянного и переменного тока, магнитных цепей, теории электрических машин, трансформаторов и электромагнитных устройств, и особенностей их применения на практике;
- знакомство с устройствами аналоговой и цифровой электроники, их конструкциями и сборками, а также особенностями применения в современной технике;
- формирование навыков по анализу, оценке и применению цифровых элементов, узлов и блоков в информационных системах и технологиях.
Дисциплина «Электротехника, электроника и схемотехника» относится к базовой части блока 1 и базируется на дисциплинах: «Математика»,
«Физика», «Информатика», «Дискретная математика».
Знания и умения, приобретенные студентами при изучении дисциплины, используются в различных дисциплинах, связанных с ЭВМ, АСОИУ, аппаратными и техническими средствами по профилю специальности, а также при выполнении курсовых проектов и выпускной квалификационной работы и в последующей практической деятельности выпускника.
1.3.
СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ (ЧАСТЬ 3 «СХЕМОТЕХНИКА»)
В таблице ниже представлена структура части 3 дисциплины
«Электротехника, электроника и схемотехника» - посвященная изучению
«Схемотехники» (выдержка из рабочей программы).
ЭЭиС. Часть 3«Схемотехника»: комплект материалов для студентов - 3 -

№ п/п
Тема (раздел) дисциплины
Сем ест р
Н
ед ел я с ем ест ра
Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (час).
Формы текущего контроля (в
недели
семестра), промежуточ ной аттестации
(
в семестре)
Лек. Пр. Лаб. Сам. Тек. Пром.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Часть 3. Схемотехника (6 семестр)
3.1
Тема 1. Основы цифровой техники
6 1
2 4
4 5
ЛР,
Пр,
Тест,
РГР,
Экз.
2 3.2
Тема 2. Цифровые узлы комбинационного типа
3 2
4 4
5
ЛР,
Пр,
Тест,
РГР,
Экз.
4 5
3.3
Тема
3.
Последовательностные цифровые узлы
6 2
4 4
5
ЛР,
Пр,
Тест,
РГР,
Экз.
7 8
3.4
Тема 4. Счетчики
9 2
5 5
5
ЛР,
Пр,
Тест,
РГР,
Экз.
3.5
Тема
5.
Цифровые микросхемы.
Общие сведения
10 4
Тест,
РГР,
Экз.
3.6
Тема 6. Микросхемы ТТЛ.
Базовый логический элемент
ТТЛ
5 11 2
4
Тест,
РГР,
Экз.
3.7
Тема 7. Микросхемы ЭСЛ логики
12 4
Тест,
РГР,
Экз.
3.8
Тема 8. Микросхемы КМОП логики
13 2
4
Тест,
РГР,
Экз.
3.9
Тема
9.
Сопряжение микросхем
14 4
Тест,
РГР,
Экз.
3.10
Тема 10. Программируемые логические интегральные микросхемы
15 2
4
Тест,
РГР,
Экз.
3.11 Тема
11.
Цифровые запоминающие устройства
16 4
Тест,
РГР,
Экз.
3.12
Тема
12.
Устройства аналого-цифрового преобразования сигналов
17,
18 3
4
Тест,
РГР,
Экз.
«Схемотехника»: комплект материалов для студентов - 4 -

1) В таблице использованы следующие сокращения для вида учебной работы:
Лек. – лекционные занятия; Пр. – практические занятия; Лаб. – лабораторные работы; Сам. – самостоятельная работа; Тек. – текущий, Пром. – промежуточный контроли.
2) Формы текущего контроля успеваемости:
ЛР – допуск и защита лабораторной работы; ПР – выполнение индивидуальных практических заданий.
3) Формы промежуточной аттестации:
Тесты – индивидуальные тесты по пройденному материалу; Экз. – экзамен;
РГР – защита и выполнение индивидуальной расчетно-графической работы.
ЭЭиС. Часть 3«Схемотехника»: комплект материалов для студентов - 5 -

2.
ПЛАН КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КАЖДОЙ ТЕМЕ
2.1.
ГЛАВА 1 «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ
СХЕМОТЕХНИКИ»
Тема №1 «Основы цифровой техники»
Понятие цифровых устройств.
Логические основы проектирования цифровых устройств, задачи, решаемые при построении цифровых автоматов.
Схема представления цифрового устройства в виде многополюсника.
Арифметические основы работы цифровых устройств: понятие логического сигнала, уровня, двоичная система исчисления, способы перехода от одной системы исчисления к другой.
Понятие прямого и обратного кода.
Сложение и вычитание двоичных чисел.
Основы алгебры логики.
Базовые логические операции: «И», «ИЛИ», «НЕ» – определение, способы записи.
Функция отрицания «НЕ»: таблица истинности, схемное представление, реализация с помощью логических операндов.
Функция конъюнкции «И»: таблица истинности, схемное представление, реализация с помощью логических операндов.
Функция дизъюнкции «ИЛИ»: таблица истинности, схемное представление, реализация с помощью логических операндов.
Основные законы алгебры логики: аксиомы, закон двойного отрицания, закон коммутативности, закон поглощения, правило де-Моргана (закон дуальности), закон ассоциативности, закон дистрибутивности.
Способы задания функций алгебры логики – определения, виды.
Схемный способ представления работы цифрового автомата – определение, форма записи, пример.
Аналитический способ представления работы цифрового автомата – определение, форма записи, пример.
Табличный способ представления работы цифрового автомата – определение, форма записи, пример.
Переход от одного способа представления работы цифрового автомата к другому.
Совершенно дизъюнктивно нормальная форма записи, совершенно конъюнктивно нормальная форма записи – вид, способ записи и составления.
Элементарные функции алгебры логики.
Полная система логических функций, понятие о базисе. Реализация схем в различных базисах, формы записи, пример.
Тема №2 «Цифровые узлы комбинационного типа»
Определение комбинационной схемы, классы и примеры основных комбинационных устройств.
«Схемотехника»: комплект материалов для студентов - 6 -

Основные этапы синтеза комбинационных устройств: абстрактный синтез, схемный синтез.
Дешифратор – определение, принцип работы, таблица истинности, схемное обозначение, развернутая схема на базе основных логических элементов. Логическая функция дешифратора, сигнал разрешения, активный уровень (определение). Примеры использования дешифраторов.
Шифратор – определение, принцип работы, таблица истинности, схемное обозначение, развернутая схема на базе основных логических элементов. Логическая функция шифратора, сигнал разрешения. Примеры использования шифраторов.
Мультиплексор – определение, принцип работы, таблица истинности, схемное обозначение, развернутая схема на базе основных логических элементов. Логическая функция дешифратора, сигнал разрешения. Примеры использования мультиплексоров.
Способы реализаций логических функций на комбинационных устройствах (дешифраторы и мультиплексоры).
Определение сумматора.
Сумматоры по модулю два – определение, таблица истинности, принцип работы, развернутая схема, основные недостатки.
Полусумматоры – определение, таблица истинности, принцип работы, развернутая схема, основные недостатки.
Одноразрядные двоичные сумматоры – определение, таблица истинности, принцип работы, развернутая схема, основные недостатки.
Многоразрядные сумматоры – определение, таблица истинности, принцип работы, развернутая схема. Способы реализации операции суммирования многоразрядных двоичных чисел. Схема полного двоичного трехразрядного сумматора.
Определение вычитателей, реализация операции вычитания.
Одноразрядный полувычитатель – определение, таблица истинности, принцип работы, развернутая схема.
Одноразрядный вычитатель – определение, таблица истинности, принцип работы, развернутая схема.
Принцип вычитания чисел, реализованных в системе с обратным кодом
– схема, принцип реализации.
Принцип вычитания чисел, реализованных в системе с дополнительным – схема, принцип реализации.
Схема универсального сумматора – вычитателя.
Пороговая ячейка – определение, таблица истинности, принцип работы, развернутая схема, применение.
Компараторы – определение, таблица истинности, принцип работы, развернутая схема, применение.
Тема №3 «Последовательностные цифровые узлы»
Вводные замечания.
Определение последовательностных схем.
ЭЭиС. Часть 3«Схемотехника»: комплект материалов для студентов - 7 -

Принцип работы, описание, структурная схема последовательностного цифрового автомата, отличие последовательностных схем от комбинационных.
Определение функций переходов, функций возбуждения, закон функционирования последовательностного цифрового автомата.
Определение временной диаграммы. Способ описания работы цифрового устройства с помощью временной диаграммы.
Общая теория синхронизации.
Гонки в цифровых устройствах.
Способы борьбы с гонками. Схемная реализация, примеры.
Определение триггера.
Простейший пример триггера – RS-триггер.
Принцип работы RS-триггера.
Возможные состояния входов и выходов триггера RS (активное, пассивное, запрещенное, неопределенное).
Схема RS-триггера на базе простейших логических элементов.
Активный уровень сигнала для RS-триггера.
Таблица функций переходов и функций возбуждения RS-триггера.
Асинхронный и синхронный RS-триггер.
Двухступенчатый RS-триггер.
Триггер R’S’ – принцип работы, активный уровень сигнала, схема, таблица функций возбуждения и переходов.
Недостатки RS-триггера. Представление работы триггера RS с помощью временной диаграммы, Характеристическое уравнение RS- триггера.
Триггер типа JK – определение.
Принцип работы JK -триггера.
Возможные состояния входов и выходов триггера JK (активное, пассивное, неопределенное).
Назначение входов J и K.
Схема JK-триггера на базе RS-триггера.
Таблица функций переходов и функций возбуждения JK-триггера.
Временная диаграмма работы JK-триггера, схемное обозначение JK- триггера, характеристическое уравнение JK-триггера.
Определение D-триггера.
Принцип функционирования D-триггера.
Таблица функций переходов и возбуждений D-триггера.
Временная диаграмма D-триггера.
Характеристическое уравнение D-триггера.
Схемная реализация D-триггера на базе JK-триггера.
Синхронный и асинхронный D-триггер.
Применение D-триггера.
Определение Т-триггера.
Принцип функционирования Т-триггера.
Временная диаграмма Т-триггера.
ЭЭиС. Часть 3«Схемотехника»: комплект материалов для студентов - 8 -

Характеристическое уравнение Т-триггера, основные свойства Т- триггера.
Схемная реализация Т-триггера на базе JK-триггера и D-триггера.
Применение T-триггера.
Регистры – определение, предназначение.
Параллельный и последовательный регистр – схема, предназначение.
Схема универсального регистра.
Тема №4 «Счетчики»
Определение счетчика.
Виды счетчиков – асинхронные и синхронные.
Суммирующие вычитающие счетчики.
Определение коэффициента счета, принцип его подсчета.
Асинхронный двоичный счетчик: определение, таблица истинности, временная диаграмма, схемная реализация
Счетчики обратного счета: способ реализации, временная диаграмма, схемная реализация.
Синхронные счетчики: определение, схемная реализация последовательного суммирующего счетчика.
Последовательные и параллельные синхронные счетчики.
Счетчики с измененным коэффициентом пересчета.
Способы изменения коэффициента пересчета, счетчики с автосбросом.
Синтез счетчика с произвольным коэффициентом счета: пример, схемная реализация.
Недостатки обычной схемы сброса, устранение «иголок».
Реализация схемы с измененным коэффициентом пересчета, устраняющей явление «иголок».
2.2.
ГЛАВА 2 «ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ»
Тема №5 «Цифровые микросхемы. Общие сведения»
Определение интегральной микросхемы.
Классификация микросхем:
- по технологии изготовления (полупроводниковые; пленочные; гибридные);
- по функциональному назначению (аналоговые; цифровые);
- по степени интеграции (определение степени интеграции; разделение на микросхемы малой, средней, большой и сверхбольшой степени интеграции);
- по способу соединения транзисторов между собой в пределах одного базового логического элемента, определяющему логический базис или логику (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП, ДТЛ, РТЛ, РТСЛ, НСТЛ, TBP-ПЗУ, TIBPAL,
TIFPLA, TL, TLC, TCM, TIL, TMS, TAC, TAL, TAT, ).
Основные параметры цифровых микросхем:
ЭЭиС. Часть 3«Схемотехника»: комплект материалов для студентов - 9 -

- по напряжению (
вх
0
U
, вх
1
U
, вых
0
U
, вых
1
U
, по вх р.
0
U
, по вх р.
1
U
, по вых р.
0
U
, по вых р.
1
U
, пом
0
U
, пом
1
U
),
- по току (
вх
0
I , вх
1
I , вых
0
I
, вых
1
I
, I
ут. вх
, I
ут.вых
, пот
0
I
, пот
1
I
, I
пот.ср
, Р
пот.ср
),
- временные параметры (t в
, t сх
, t в
, t п
, f
T
, К
раз
, К
об
, t нар
, t сп
, t уст
, t у
, з д t
.р.
,
1 0
, з д t
.р.
,
0 1
, t зд.р.ср
,
τ).
Характеристики цифровых микросхем:
- статические: входная - I
вх
= f(U
вх
); выходная - I
вых
= f(U
вых
); U
вых
= f(I
вых
); передаточная - U
вых
= f(U
вх
);
- динамические.
Тема №6 «Микросхемы ТТЛ. Базовый логический элемент ТТЛ»
Применение микросхем ТТЛ.
Характеристики микросхем ТТЛ.
Основная особенность микросхем ТТЛ, многоэмиттерный транзистор.
Схема базового логического элемента ТТЛ.
Принцип работы элемента ТТЛ.
Статические характеристики элемента ТТЛ.
Выходные нагрузочные характеристики элемента ТТЛ.
Передаточная характеристика элемента ТТЛ.
Недостатки микросхем серии ТТЛ.
Различные логические элементы на базе ТТЛ.
Рекомендации по применению микросхем серии ТТЛ.
Тема №7 «Микросхемы ЭСЛ логики»
Принцип работы микросхем на базе ЭСЛ логики.
Основа ЭСЛ логики – токовый переключатель: схема, принцип работы.
Схема базового элемента ЭСЛ логики: схема, принцип работы.
Преимущества ЭСЛ логики.
Рекомендации по применению и основные характеристики микросхем серии ЭСЛ.
Тема №8 «Микросхемы КМОП логики»
Основные преимущества микросхем
КМОП логики
(помехозащищенность, низкая потребляемая мощность).
Основной недостаток микросхем КМОП логики (невысокое быстродействие, большое входное сопротивление)
Вида структур полевых транзисторов, названия, обозначение, схемы.
Базовый логический элемент КМОП структуры: схема, принцип работы.
Логические элементы КМОП логики: принцип работы, схемы, характеристики.
Рекомендации по применению КМОП логики.
Современное развитие КМОП структур.
ЭЭиС. Часть 3«Схемотехника»: комплект материалов для студентов - 10 -

Тема №9 «Сопряжение микросхем»
Особенности выходных и входных каскадов цифровых микросхем.
Способы объединения выходов микросхем одинаковых логик: схемы с открытым коллектором, открытым эмиттером.
Высокоимпенданое состояние: определение, назначение, способы применения.
Преобразователи уровней и шинные формирователи: назначение, виды, способы применения, примеры микросхем.
Согласование уровней различных логических элементов.
Схемы соединения ТТЛ-КМОП.
Схемы соединения КМОП-ТТЛ.
Тема №10 «Программируемые логические интегральные микросхемы»
Основные сведения.
Область применения.
Классификация программируемых логических интегральных микросхем.
Понятие и простейшая структура программируемых интегральных схем (ПЛИС).
Классификация ПЛИС по структурному признаку (ПЛМ, ПМЛ, БМК,
ПВМ, ПКМБ, система на кристалле).
Программируемые логические матрицы – ПЛМ: понятие, принцип организации, схема, способы соединения элементов, применение.
Программируемая матричная логика (ПМЛ): понятие, принцип организации, схема, применение.
Базовые матричные кристаллы – БМК: понятие, принцип организации, схема, применение, классификация БМК, способы изготовления.
Программируемые вентильные матрицы – ПВМ: понятие, принцип организации, схема, применение, способы организации соединений
(перемычки, транзисторное соединение), способы изготовления.
Программируемые коммутируемые матричные блоки – ПКМБ: понятие способы организации, отличие от ПМЛ.
ПЛИС комбинированной структуры типа система на кристалле: архитектура, способы изготовления, применение, примеры использования.
Тема №11 «Цифровые запоминающие устройства»
Общая характеристика запоминающих устройств (ЗУ).
Классификация ЗУ по назначению: постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), оперативные запоминающие устройства (ОЗУ).
Классификация ЗУ по технологии изготовления.
Классификация ЗУ по способу адресации: адресные и безадресные.
Основные параметры ЗУ: емкость, потребляемая мощность, время хранения, быстродействие.
Структуры ЗУ: одномерные, двумерные.