background image

POLITECHNIKA  BIAŁOSTOCKA 

 

WYDZIAŁ  ELEKTRYCZNY 

 

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW 

ELEKTRYCZNYCH 

 
 

 
 

 

Instrukcja  do  zajęć  laboratoryjnych  dla  studentów 

 

WYDZIAŁU  MECHANICZNEGO 

 

Studiów  stacjonarnych  i  niestacjonarnych 

z  przedmiotów 

 

PODSTAWY  ELEKTROTECHNIKI  I  ELEKTRONIKI 

Kody przedmiotów:   MKBMS02011,    MKBMN01002 

 

ELEKTROTECHNIKA  I  ELEKTRONIKA 

Kody przedmiotów:   MKARS02010;      MKIBS02015;    MKTRS02011;    MKETS02014;  

MKARN02010;     MKIBN02018;     MKTRN03018.   

 
 
 

 

ĆWICZENIE  6M 

 

ELEMENTY TECHNIKI CYFROWEJ 

 

 

 

 
 

Opracował 

dr inż.  Marian Dubowski  

 

 

BIAŁYSTOK   2000 

background image

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Instrukcja jest własnością Katedry Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych. 

Do użytku wewnętrznego katedry. 

Powielanie i rozpowszechnianie zabronione 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Redakcja: dr inż. Zofia Daszuta 
Opracowanie graficzne: inż. Aleksandra Matulewicz 

background image

 

Ogólne zasady bezpieczeństwa 

 

Przed  przystąpieniem  do  zajęć  należy  zapoznać  się  z  instrukcją  dydaktyczną  do  stanowiska 

laboratoryjnego. 

 

Dokonać  oględzin  urządzeń  i  przyrządów  używanych  w  ćwiczeniu,  a  o  zauważonych 

nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego. 

 

Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody prowadzącego. 

 

Zmian  nastaw  parametrów  lub  konfiguracji,  możliwych  przy  użyciu  dostępnych 

manipulatorów  (potencjometrów,  przełączników),  należy  dokonywać  po  przeanalizowaniu 

skutków takich działań. 

 

Zmian  konfiguracji  obwodów  elektrycznych,  możliwych  jedynie  poprzez  zmiany  połączeń 

przewodów,  należy  dokonywać  za  zgodą  prowadzącego  po  uprzednim  wyłączeniu  zasilania 
stanowiska. 

 

W  przypadku  załączania  układów  napędowych  należy  zachować  odpowiednią  kolejność 

czynności. 

 

Po  załączeniu  stanowiska  wykonywanie  przełączeń  (np.  wymiana  przyrządu)  w układzie 

znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone. 

 

W  w/w  stanowisku  dostępne  są  części  czynne  obwodu  elektrycznego  o  napięciu 

przekraczającym  napięcie  bezpieczne,  dlatego  przed  uruchomieniem  należy  zachować 

odpowiednie  oddalenie  od  tych  części  czynnych  w  celu  uniknięcia  porażenia  prądem 
elektrycznym. 

 

Stosowanie  sposobów  sterowania,  ustawień  lub  procedur  innych  niż  opisane  w  instrukcji 

może  spowodować  nieprzewidziane  zachowanie  obiektu  sterowanego  a  nawet  uszkodzenie 
stanowiska. 

 

Nie  należy  podłączać  urządzeń  nie  przeznaczonych  do  współpracy  z  tym  stanowiskiem 

laboratoryjnym. 

 

Przekroczenie  dopuszczalnych  parametrów  prądów,  napięć  sygnałów  sterujących  może 

doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów, pożaru lub porażenia prądem. 

 

W  przypadku  pojawienia  się  symptomów  nieprawidłowego  działania  (np.  swąd  spalenizny) 

natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający. 

 

Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe, oprócz opisanych 

w  instrukcji,  powinny  być  wykonywane  przez  wykwalifikowany  personel  po  wyłączeniu 
stanowiska. 

 

Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych w instrukcji lub na 

obudowie urządzenia. 

 

Urządzenie  powinno  być  czyszczone  przy  użyciu  suchej  i  miękkiej  szmatki.  Nie  należy 

stosować do tych celów rozpuszczalników. 

 

Podczas  korzystania  z  aparatury  laboratoryjnej  (oscyloskopy,  generatory,  zasilacze  itp.) 

należy przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.: 

 

Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego wyrobu. 

 

Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy są one dołączone 

do źródła napięcia. 

 

Przyrząd  powinien  być  połączony  z  uziemieniem  przez  przewód  ochronny  w  kablu 

zasilającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być podłączony do przewodu 
ochronnego sieci. 

 

Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia ochronnego. Nie należy 

podłączać go do punktów o wyższym potencjale. 

 

Aby  uniknąć  porażenia  prądem  podczas  używania  sondy,  należy  trzymać  palce  nad 

pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części grotu, gdy sonda 

jest podłączona do źródła napięcia 

 

Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania pomiarów. 

background image

 

 

I.  WPROWADZENIE 

 

Wiadomości niezbędne do realizacji ćwiczenia: 

-  podstawowe funkcje logiczne, 

-  główne prawa logiki matematycznej, 

-  system binarny zapisu liczb. 

 

II.  CEL  I  ZAKRES  ĆWICZENIA  LABORATORYJNEGO 

 

Zapoznanie studentów z podstawami algebry logiki oraz analizą, syntezą 

i realizacją praktyczną podstawowych układów cyfrowych. 

 

III.  PODSTAWY  TEORETYCZNE  

 

Wiele  zjawisk  fizycznych  i  procesów  można  częściowo  lub  całkowicie 

opisać w sposób cyfrowy (określenie anglosaskie „Digital”). Oznacza to, że stan 

danego procesu zmienia się skokowo lub krok po kroku. Na przykład liczenie na 

palcach umożliwia przedstawienie liczb całkowitych 1, 2, 3 itd. bez możliwości 

uzyskania  wartości  pośrednich.  Przykładem  instrumentu  cyfrowego  może  być 

fortepian,  w którym  wysokość  tonu  między  kolejnymi  klawiszami  zmienia  się 

w sposób skokowy. Jeżeli stan procesu lub urządzenia cyfrowego opisać można 

przy pomocy tylko dwóch stanów, to mówimy o binarnym procesie cyfrowym

Przykładem  takich  elementów  mogą  być:  styk  wyłącznika  (zamknięty  – 

otwarty), żarówka (świeci – nie świeci), zawór (otwarty – zamknięty). 

 

Podstawą  matematycznego  opisu  binarnych  systemów  cyfrowych  jest 

algebra logiki. U podstaw jej leży algebra boolowska opracowana przez George 

Boole’a (1815-1865). 

 

Rozważmy  na  wstępie  kilka  problemów  podstawowych.  Bazą  do  każdej 

algebry  jest  zbiór  wartości  i  określona  liczba  działań  w  tym  zbiorze. 

W tradycyjnej algebrze bazą są liczby przedstawione najczęściej w pozycyjnym 

systemie dziesiętnym. Algebra logiki opisująca binarne systemy cyfrowe bazuje 

background image

 

na dwuelementowym zbiorze wartości B = {0, 1}. Wartości zbioru B mogą mieć 

znaczenie  symboliczne,  można  bowiem  przypisać  im  określone,  binarne, 

cyfrowe  stany  fizyczne.  W  algebrze  logiki występują  3  podstawowe  działania: 

suma logiczna (alternatywa), iloczyn logiczny (koniunkcja) i negacja (inwersja). 

Dwa  pierwsze,  to działania  co  najmniej dwuargumentowe.  Weźmy  pod  uwagę 

dwie zmienne logiczne a, b (wartości tych zmiennych należą do zbioru B). Suma 

logiczna a + b jest określona następująco: 

a+b 

 

Iloczyn logiczny a

b określony jest następująco: 

a

Negacja zmiennej a czyli 

a

 określona jest następująco: 

a

 

Jak  widać,  działanie  negacji  powoduje  zmiany  wartości  zmiennej  logicznej 

w dopełnienie zbioru B. Jest to działanie jednoargumentowe. 

 

Zauważmy,  że 

1

b

a

  jeżeli 

1

a

  lub 

1

b

.  Iloczyn  logiczny 

1

b

a

 

jeżeli 

1

a

  i 

1

b

.  Często  zamiast  określenia  suma  logiczna  oraz  iloczyn 

logiczny  używa  się  odpowiednio  angielskich  określeń  LUB-OR  oraz  I-AND. 

background image

 

Tak,  jak  w  klasycznej  algebrze,  w  algebrze  logiki  w  ramach  poszczególnych 

działań obowiązują określone prawa i reguły. 

 

1

o

 

Prawa przemienności 

 

 

a

b = b

 

 

a + b = b + a 

 

2

o

 

a

a

a

a

 ... 

a = a 

 

 

a + a + a+ a....+ a = a 

 

3

o

 

a

b

c

1 = a

b

 

 

a

b

c

0 = 0 

 

 

a + b + c + 1 = 1 

 

 

a + b + c + 0 = a + b + c 

 

4

o

 

0

a

a

 

 

 

a + 

a

 = 1 

 

5

o

 

a

 = a 

 

6

o

 

Prawa rozdzielności 

 

 

a

b + a

c = a

(b + c) 

 

 

(a + b)

(a + c) = a + b

 

7

o

 

Prawa łączności 

 

 

a

(b

c) = (a b)

 

 

a + (b + c) = (a + b) + c 

 

8

o

 

a + 

a

b = a + b 

 

 

a

b

 + b = a + b 

 

 

a  + a

b = a  + b 

 

 

a

b

 + b = a  + b 

 

9

o

 

Prawa negacji (twierdzenia de Morgana) 

x

...

c

b

a

x

.......

c

b

a

 

 

 

x

...

c

b

a

x

.......

c

b

a

 

Te ostatnie (9

o

 ) mają bardzo ważne znaczenie praktyczne. 

background image

 

Prawdziwość  wymienionych  reguł  udowodnić  można  korzystając  z  tzw.  tabeli 

prawdy. Liczba wierszy takiej tabeli zależy od liczby zmiennych rozpatrywanej 

funkcji logicznej. Ogólnie dla funkcji n – argumentowej możliwych jest 

n

2

k

 

wariacji  z  powtórzeniami  wartości  jej  argumentów  i  tyleż  wierszy  zawiera 

tabela. Dla przykładu, sprawdźmy prawidłowość reguły 8. 

 

a + 

a

 

 b = 

a + b = 

0 + 1 

 0 = 0 

0 + 1 

 1 = 1 

1 + 0 

 0 = 1 

1 + 0 

 1 = 1 

0 + 0 = 0 

0 + 1 = 1 

1 + 0 = 1 

1 + 0 = 1 

Zwróćmy  uwagę,  że  stosując  reguły  algebry  logiki  można  funkcję  logiczną 

przekształcić do innej, czasami wygodniejszej do realizacji postaci.  

 

Najczęściej mamy do czynienia z dwoma rodzajami problemów.  

 

Pierwszy  z  nich  występuje,  gdy  znana  jest  struktura  układu,  który 

realizuje  określoną  funkcję  logiczną,  a  interesuje  nas  analityczna  postać  tej 

funkcji. Działanie takie nazywamy analizą funkcji logicznej

 

Drugi  rodzaj  problemów  występuje  wtedy,  gdy  znany  jest  sposób 

działania  danego  urządzenia  logicznego  (dany  np.  poprzez  słowny  opis  lub 

analityczną  postać  funkcji  logicznej),  a  poszukiwana  jest  struktura  urządzenia, 

które  musi  tę  funkcję  zrealizować.  Działanie  takie  nazywamy  syntezą  funkcji 

logicznej.  

 

Podstawę  do  rozwiązania  obu  tych  problemów  stanowić  może  tabela 

prawdy.  W  kolejnych  wierszach  tabeli  prawdy  wpisuje  się  stany 

zmiennych/sygnałów 

wejściowych 

odpowiadające 

im 

wartości 

funkcji/sygnałów wyjściowych.  

Rozpatrzmy  bliżej  tabelę  prawdy  dla  pewnej  funkcji  logicznej  trzech 

zmiennych 

)

c

,

b

,

a

(

f

x

.  Tabela  ta  zawiera 

8

2

k

3

  wierszy.  Ze  względów 

porządkowych kolejne stany zmiennych wejściowych warto zapisywać w tabeli 

background image

 

prawdy  w pewien  usystematyzowany  sposób.  Zwróćmy  uwagę,  że  dziesiętny 

numer  porządkowy  wiersza  (liczony  od  numeru  0  do  7)  spełnia  zależność 

0

1

2

2

c

2

b

2

a

d

.  O  takim  systemie  numerowania  kolejnych  stanów 

zmiennych  wejściowych  mówimy,  że  tworzą  one  kolejny  numer  porządkowy 

wiersza  w  naturalnym  kodzie  binarnym  (NKB).  Z  praktycznego  punktu 

widzenia  warto  zauważyć,  że  kolejne  zmienne  wejściowe  poczynając  od 

wartości  0  zmieniają  swój  stan  odpowiednio  w  każdym  (kolumna  a),  w co 

drugim  wierszu  (kolumna  b),  w  co  czwartym  wierszu  (kolumna  c)  itd.  Ten 

sposób  numeracji  (kodowania)  kolejnych  wierszy  pozwala  w  prosty  sposób 

uzyskać wszystkie stany zmiennych wejściowych bez powtórzeń.  

 

Nr wiersza 

(dziesiętny) 

2

2

1

 

2

0

 

 

Przeprowadźmy  analizę  funkcji  logicznej 

)

c

,

b

,

a

(

f

x

,  której  wartości 

zapisane są w kolumnie  x tabeli prawdy.  Z tabeli tej wynika, że przybiera ona 

wartość 1 gdy: (

0

a

 i 

1

b

 i 

1

c

lub (

1

a

 i 

0

b

 i 

1

c

lub (

1

a

 i 

1

b

 

i 

0

c

lub (

1

a

 i 

1

b

 i 

1

c

). Analityczną postać funkcji logicznej uzyskać 

można wstawiając w miejsce spójników w powyższym opisie odpowiadające im 

działania logiczne. Tak więc:  

 

c

b

a

c

b

a

c

b

a

c

b

a

x

background image

 

 

Zagadnienie  syntezy  funkcji  logicznej  poprzedzone  zostanie  pewnymi 

wiadomościami  wstępnymi.  W  nowoczesnych  rozwiązaniach  technicznych 

funkcje  logiczne  realizowane  są  najczęściej  przy  pomocy  scalonych  układów 

mikroelektronicznych  o  różnej  skali  integracji,  tzw.  funktorów.  Do  realizacji 

ćwiczenia  używane  będą  układy  średniej  skali  integracji  typu  TTL. 

Podstawowym  funktorem  logicznym  na  stanowisku  laboratoryjnym  jest 

trójwejściowy  element  NAND.  Nazwa  pochodzi  od  angielskich  słów  NOT–

AND co oznacza nie – i (negację iloczynu). Funkcja logiczna realizowana przez 

trójwejściowy funktor NAND ma postać: 

c

b

a

y

Łatwo wykazać, że przy pomocy funktora NAND zrealizować można wszystkie 

trzy działania logiczne. Symbol funktora NAND przedstawia rys. 1. 

 

Rys. 1. Symbol graficzny funktora NAND. 

 

Przeprowadźmy proces syntezy funkcji logicznej: 

c

b

a

c

b

a

z

oraz  jej  realizacji  przy  pomocy  funktorów  NAND.  Stosując  kolejno  regułę  5 

oraz 9 funkcję tę przekształcić można do postaci: 

)

c

b

a

(

)

c

b

a

(

)

c

b

a

(

)

c

b

a

(

z

 

Funkcja  ta  może  być  zrealizowana  bezpośrednio  przy  użyciu  pięciu  funktorów 

NAND połączonych zgodnie z rys. 2.  

 

background image

 

10 

Rys.2. Realizacja funkcji  

c

b

a

c

b

a

z

  przy pomocy funktorów NAND. 

IV.  OPIS  STANOWISKA  LABORATORYJNEGO 

 

Stanowisko  do  modelowania  układów  cyfrowych  zawiera  12 

3-wejściowych  funktorów  NAND  oraz  zadajnik  stanów  4  zmiennych 

wejściowych  sterowany  ręcznie  lub  automatycznie.  Wskaźnikami  stanów 

logicznych  są  diody  elektroluminescencyjne,  przy  czym  stan  „1”  odpowiada 

świeceniu diody, „0” logiczne odpowiada diodzie nieświecącej. 

V.  PROGRAM  ĆWICZENIA 

1.  Przebadać  (stosując  tabele  prawdy  dla  3  zmiennych)  dowolny  funktor 

NAND. 

2.  Sprawdzić,  modelując  jednocześnie  obie  strony  równości,  słuszność  kilku 

wskazanych przez prowadzącego reguł algebry logiki. 

3.  Rozwiązać zadania sformułowane przez prowadzącego zajęcia. 

VI.  WYMAGANIA  BHP 

Podczas  wykonywania  ćwiczenia  należy  stosować  się  do  zasad  BHP 

obowiązujących  w  Laboratoriach  Katedry  Energoelektroniki  i  Napędów 

Elektrycznych.  

VII.  LITERATURA 

1.  Siegfried H.J.: Od teorii mnogości do algebry logiki. WKiŁ, W-wa, 1977. 

2.  Watson J.: Elektronika. WKiŁ, W-wa, 1999. 

3.  Hempowicz  P.  inni:  Elektrotechnika  i  elektronika  dla  nieelektryków.  WNT, 

Warszawa 1999