Проектирование и проверка базовой схемы элемента И-НЕ (NAND) на микросхеме 4011

Детали и материалы

• 4011 — четырехвходовый элемент И-НЕ (NAND) (каталог Radio Shack # 276‑2411)
• Восьмипозиционный DIP-переключатель (каталог Radio Shack # 275‑1301)
• Десятисегментная шкальная индикация (LED) (каталог Radio Shack # 276‑081)
• Одна батарея 6 В
• Два резистора 10 кОм
• Три резистора 470 Ом

Осторожно! Микросхема 4011 — CMOS и крайне чувствительна к статическому разряду. Обращайтесь с антистатическими предосторожностями.

Дополнительное чтение

Lessons In Electric Circuits, Том 4, глава 3: «Логические элементы».

Цели обучения

• Понять роль подтягивающего резистора.
• Определить таблицу истинности элемента экспериментально.
• Научиться соединять логические элементы.
• Проектировать различные логические функции с использованием элементов NAND.

Схема базовой функции элемента

 

Иллюстрация базовой функции элемента

 

Инструкции по эксперименту

Начните с подключения одного элемента NAND к двум входным переключателям и одному светодиоду, как показано на схеме. Восьмипозиционный переключатель и десятисегментный светодиод могут показаться избыточными сначала, но они позволяют легко расширять и сохранять компоновку чистой.

Всегда держите под рукой даташит 4011. Чтение распиновки критично для правильных соединений. Ниже приведён упрощённый справочник распиновки из официального даташита:

 

 

В иллюстрации макетной платы мы используем левый нижний элемент NAND: выводы 1 и 2 — входы, вывод 3 — выход. Выводы 14 и 7 запитывают V_DD (положительное напряжение) и GND (земля). Некоторые даташиты обозначают отрицательную шину как V_SS; это функционально то же самое.

В отличие от ОУ, цифровые логические ИС используют единую точку отсчёта земли. Сигнал «высокий» означает, что вывод находится на уровне V_DD относительно земли, а «низкий» — на уровне GND.

Все неиспользуемые входы элементов привязаны либо к V_DD, либо к GND. Оставление их висящими может позволить случайным статическим зарядам перевести внутренние транзисторы в неопределённое состояние, потенциально вызывая избыточное потребление тока или повреждение. Заземление или подтяжка к высокому уровню достаточно; выбор зависит от того, какая шина более доступна на макетной плате.

Не соединяйте неиспользуемые выходы элементов с любой шиной питания. Принудительное фиксирование выхода на заданном уровне закоротчит элемент и может уничтожить чип. Выходы генерируются самими элементами и должны оставаться свободными для переключения.

Два резистора 10 кОм служат подтягивающими (pulldown) устройствами. Когда переключатель разомкнут, резистор притягивает вход к GND, обеспечивая чистое состояние «низкий». Когда переключатель замкнут, вход напрямую подводится к V_DD, давая состояние «высокий». Это предотвращает висячее состояние входа из-за случайного статического заряда.

С собранной схемой вы можете теперь экспериментально определить таблицу истинности элемента NAND. Переведите переключатели во все возможные состояния и запишите, светится ли светодиод. Запишите результаты на листе следующим образом:

 

 

Столбцы, помеченные «A» и «B», представляют два входных переключателя; замкнутый переключатель означает логическую «1», разомкнутый (подтянутый к нулю) — логический «0». Состояние светодиода показывает выход элемента. После завершения всех четырёх комбинаций сравните вашу таблицу со стандартной таблицей истинности NAND.

Хотя эта установка адаптирована для элемента NAND 4011, та же схема с двумя переключателями, двумя подтягивающими резисторами и светодиодом работает для любой четверной логической ИС, если вы консультируетесь с правильной распиновкой. Помните, что назначение выводов различается между семействами ИС.

Дополнительное улучшение

Для большей наглядности добавьте светодиоды для отображения фактических входных уровней. Таким образом, вы можете проверить, что переключатель действительно замкнут или разомкнут, не выводя это из его положения:

 

 

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист по базовым логическим элементам