آزمایشگاه مدار منطقی


مقدمه 3
معرفی دستگاه ترینر 4
برد بورد 4
تولید سیگنال 4
لیست IC ها 4
دیاگرام IC ها 6
آزمایش اول: آشنایی با گیتهای منطقی 15
بستن یک مدار ساده 15
طراحی یک مدار ترکیبی 15
آزمایش دوم: طراحی مدارات منطقی 16
تعریف مساله 16
آزمایش سوم: جمع کننده و تفریق گر چهار بیتی 17
آزمایش چهارم: مولتی پلکسر، دیکدر و مقایسه کننده 18
آزمایش پنجم: ساخت فلیپ فلاپ 19
آزمایش ششم 20
آزمایش هفتم 21
آزمایش هشتم 22
آزمایش نهم 23
آزمایش دهم 24

مقدمه
آرمایشگاه مدار منطقی به همراه درس مدارهای منطقی ارائه می گردد. هدف از این درس، آشنایی دانشجویان با نحوه بستن انواع مدارات ترکیبی و ترتیببی است. درس از 10 آزمایش مختلف تشکیل شده است. هر جلسه با یک آزمایش ساده جهت آشنایی با موضوع شروع می شود. در ادامه جلسه بسته به موضوع، دو یا چند آزمایش مشکلتر مطرح خواهند شد. موضوعاتی که در این درس بحث خواهد شد به شرح زیر است:
* گیتهای منطقی
* And, or , nor , nand
* طراحی مدارات ترکیبی
* ساده سازی سطح گیت
* جدول کارنا
* منطق ترکیبی
* جمع کننده، ، تفریق گر
* تسهیم کننده، دیکدر
* مقایسه گر
* ALU
* مدارهای ترتیبی همزمان
* فلیپ فلاپ
* رجیستر
* حافظه
* شمارنده
در پایان نیز، یک پروژه نهایی وجود دارد که در آن دانشجویان یک پروژه عملی انجام خواهند داد. طراحی پروژه نهایی به گونه ای خواهد بود که تمام مباحث مطرح شده را بپوشاند. وسائلی که برای انجام آزمایشات در اختیار دانشجویان قرار خواهد گرفت شامل ترینر آموزشی، سیم چین، سیم و پیچ گوشی خواهد بود. دانشجو موظف است که از وسائل مربوطه در حین انجام آزمایش محافظت نماید. انجام آزمایشات به صورت گروهی خواهد بود و هر گروه شامل دو دانشجو می باشد.

معرفی دستگاه ترینر
دستگاه ترینر از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است:
1- IC ها
2- LED ها
3- سوییچ ها
4- برد بورد ها
5- منابع تغذیه و تولید سیگنال
دستگاه دارای 23 IC مختلف است که شامل انواع گیتهای منطقی، انواع مدارات ترکیبی مثل جمع کننده، مقایسه کننده، دیکدر و مولتی پلکسر است. دستگاه دارای 8 LED و 8 سوییچ است. از LED ها برای نمایش ورودیها و خروجیها استفاده می گردد. سوییچها نیز جهت تغییر ورودیها و اعمال آنها استفاده می گردند. دستگاه قادر به تولید انواع شکل موجها و فرکانسهای آزمایشگاهی است.
برد بورد
برد بورد جهت بستن مدارهای الکتریکی استفاده می شود. سوراخهای روی برد بورد جهت اضافه نمودن مدارات و IC ها استفاده می گردند. دستگاه ترینر دارای 4 بردبورد است. سوراخهای روی بردبورد از زیر به هم وصل هستند. سوراخها به دو صورت عمودی و افقی به هم وصل هستند. در شکل شماره 1 قسمت A به صورت افقی و قسمت B به صورت افقی وصل هستند. بین قسمتهایی که به صورت عمودی به هم وصل هستند، یک فضای خالی وجود دارد که برای سوار کردن IC ها مناسب است. در شکل، IC شماره 7408 در این قسمت سوار شده است. معمولا از قسمتهای عمودی برای وصل کردن منبع تغذیه مدار استفاده می شود. همانطور که در شکل مشاهده می شود 10 قسمت افقی در هر طرف بردبورد وجود دارد. 5 قسمت سمت راست به هم وصل هستند. همین امر در مورد 5 قسمت افقی سمت جپ نیز صادق است. هر کدام از قسمتهای 10 گانه دارای دو ردیف سوراخ هستند. لذا در هر کناره بردبورد، 4 مجموعه سوراخ متصل به هم وجود دارند که از 25 سوراخ تشکیل شده اند. در شکل، یکی از این مجموعه ها با نام C نشان داده شده است.

شکل 1: برد بورد
تولید سیگنال
دستگاه ترینر می تواند سیگنالهای مختلفی تولید کند.
لیست IC ها
لیست IC های دستگاه به شرح زیر است:
74183
74194
7408
7404
7400
نام
2
2
2
2
2
تعداد
جمع کننده دودویی 4 بیتی
شیفت رجیستر یونیور سال
4 عدد AND 2 ورودی
6 عدد Not
4 عدد NAND دو ورودی
توضیح

7484
74112
7474
7432
7402
نام
1
1
1
1
1
تعداد
حافظه 16 بیتی
2 عدد فلیپ فلاپ JK
2 عدد فلیپ فلاپ D
4 عدد OR دو ورودی
4 عدد NOR دو ورودی
توضیح

74244
7485
74111
74139
7442
نام
1
1
1
1
1
تعداد
8 بافر اشمیت تریگر
مقایسه کننده
2 عدد فلیپ فلاپ JK
دو دیکدر 2 به 4
دیکدر 1 از 10
توضیح

74126
7486
7414
7411
74154
نام
1
1
1
1
1
تعداد
4 بافر امپدانس بالا
4 عدد XOR دو ورودی
6 عدد Not اشمیت تریگر
3 عدد AND سه ورودی
دیکدر 4 به 16
توضیح

74153
74168
74135
نام
1
1
1
تعداد
مولتی پلکسر 4 به 1 دو بیتی
شمارنده 4 بیتی
2 عدد XNOR یا XOR دو ورودی
توضیح
دیاگرام IC ها

شکل 2 دیاگرام 7400
7400 از 4 گیت NAND تشکیل شده است. روی هر IC یک سوراخ به شکل نیم دایره وجود دارد. این سوراخ روی یکی از اضلاع IC قرار دارد و جهت پیدا کردن محل یا شماره پایه های IC به کار می رود. در صورتی که IC را طوری بگیرید که سوراخ در سمت چپ باشد. پایه شماره 1 درست در گو شه سمت چپ پایین قرار دارد. بقیه پایه ها از سمت چپ شماره گذاری می گردند. و قتی که به گوشه سمت راست پایینی رسیدیم. شماره گذاری را از گوشه سمت راست بالا ادامه می دهیم. معمولا پایه ایی که در گوشه سمت راست پایین فرار دارد باید به "زمین" و پایه ایی که در گوشه سمت چپ بالا فرار دارد باید به منبع تغذیه وصل شود. روی دستگاه ترینر برای راحتی دانشجو به جای شماره پایه ها از حروف انگلیسی استفاده شده است. حروف A ، B ، C و D برای ورودیها و حرف Y برای نشان دادن خروجیها استفاده شده است. مثلا A1 و B1 ورودیهای گیت شماره 1 و Y1 خروجی آن است. پایه های GND و VCC هر IC از داخل دستگاه به زمین و منبع تغذیه وصل شده اند و در دسترس دانشجو نیستند.
IC های 7402 (شکل 3) و 7408 (شکل 4) و 7432 (شکل 5) به ترتیب از 4 گیت NOR و AND و OR تشکیل شده اند.

شکل 6 دیاگرام 7402

شکل 7 دیاگرام 7404
7404 از 6 گیت NOT تشکیل شده است. ورودی هر گیت با A و خروجی آن با Y نشان داده شده است.

شکل 8 دیاگرام 7408

شکل 9 دیاگرام 7411

شکل 10 دیاگرام 7414

شکل 11 دیاگرام 7432

شکل 12 دیاگرام 7442
7442 یک دیکدر است که با توجه به مقدار A3A2A1A0 یکی از خروچیها را 0 می کند. در صورتیکه مقدار ورودی بزرگتر از 9 باشد تمام خروجیها 1 خواهند شد.

شکل 13 دیاگرام 7474: دو فلیپ فلاپ D

شکل 14 دیاگرام 7483: یک جمع کننده چهار بیتی

شکل 15 دیاگرام 7485 : یک مقایسه کننده 4 بیتی

شکل 16 دیاگرام 7486

شکل 17 دیاگرام 74112: دو فلیپ فلاپ JK

شکل 18 دیاگرام 74126: بافر امپدانس بالا

شکل 19 : دیاگرام 74135: دو عدد XOR یا XNOR 2 ورودی

شکل 20 دیاگرام 74139: دو دیکدر 2 به 4

شکل 21 دیاگرام 74153: دو مولتی پلکسر 4 به 1 به همراه جدول عملکرد.

شکل 22 دیاگرام 74154: دیکدر 4 به 16

شکل 23 دیاگرام 74168: شمارنده 4 بیتی با قابلیت بار شدن موازی

شکل 24 دیاگرام 74196 شیفت رجیستر 4 بیتی یونیورسال

شکل 25 دیاگرام 74244 : 8 بافر اشمیت تریگر

آزمایش اول: ساخت گیتهای Xor و Xnor

* مدار زیر را توسط گیتهای منطقی موجود پیاده کنید:

شکل 26 مدار معادل گیت Xor
جدول درستی مدار فوق را بدست آورید. این مدار با چه گیتی معادل است؟
* حال، مدار زیر را پیاده کنید:

شکل 27 مدار معادل گیت Xnor
جدول درستی این مدار را نیز بدست آورید. این مدار با چه گیتی معادل است؟
آزمایش دوم: آشنایی با گیتهای منطقی
* بستن یک مدار ساده
مدار زیر را پیاده سازی کنید و جدول درستی را برای F1 و F2 بدست آورید:

شکل 28 آنالیز یک مدار ترکیبی
آزمایش سوم: طراحی مدارات منطقی
* مدار ترکیبی شماره 1: یک مدار ترکیبی طراحی کنید که یک عدد 4 بیتی را بگیرد و مشخص کند که عدد به 3 بخش پذیر است یا نه؟
F
A0
A1
A2
A3
?
0
0
0
0
?
1
0
0
0
?
0
1
0
0
?
1
1
0
0
?
0
0
1
0
?
1
0
1
0
?
0
1
1
0
?
1
1
1
0
?
0
0
0
1
?
1
0
0
1
?
0
1
0
1
?
1
1
0
1
?
0
0
1
1
?
1
0
1
1
?
0
1
1
1
?
1
1
1
1
آزمایش چهارم: جمع کننده
* الف: مدار جمع کننده کامل زیر را بسته و جدول درستی آن را بدست آورید.

شکل 29 جمع کننده کامل
آزمایش پنجم: جمع کننده 4 بیتی
* مدار زیر را توسط IC های جمع کننده و Xor ببندید و طرز کار مدار را شرح دهید.

شکل 30 جمع کننده و تفریق گر چهار بیتی
آزمایش ششم: دیکدر

* 74139 از دو دیکدر 4 به 1 تشکیل شده است. با این دیکدرها یک دیکدر 3 به 8 بسازید. سپس مدار یک جمع کننده کامل را توسط دیکدر ساخته شده پیاده کنید.

شکل 32 ساخت یک دیکدر 3 به 8 با دو دیکدر 2 به 4
آزمایش ششم: دیکدر و مولتی پلکسر
* الف: توسط دیکدر 4 به 16 موجود مداری طراحی کنید که بخش پذیری عدد 4 بیتی A را به سه تشخیص دهد.

* ب: 74153 از دو مولتی پلکسر 4 به 1 تشکیل شده است. با این مولتی پلکسر ها مدار یک جمع کننده کامل را پیاده کنید.
آزمایشگاه مدار منطقی

2