Схемотехника цифровой электроники

Москва  2018

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ  
И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 
 
Кафедра автоматизации

Л.В. Маркарян

СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВОЙ  
ЭЛЕКТРОНИКИ

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3328

УДК 004 
 
М25

Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук, доц. И.В. Баранникова 

Маркарян Л.В.
М25  
Схемотехника цифровой электроники : лаб. практикум / 
Л.В. Маркарян. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2018. – 74 с.
ISBN 978-5-907061-72-9

В лабораторном практикуме представлены материалы для выполнения 7 
лабораторных работ. Рассмотрены элементная база и принципы работы в электронной системе моделирования Electronics Workbench, которая предназначена для схемотехнического моделирования цифровых радиоэлектронных и 
радиофизических схем и устройств различного назначения. Изложены основные принципы построения комбинационных и последовательностных схем, 
а также контрольные вопросы для самопроверки.
Практикум предназначен для проведения лабораторных работ по курсу: 
«Схемотехника цифровых устройств» для студентов вузов, обучающихся по 
направлению 27.03.04 «Управление в технических системах».

УДК 004

 Л.В. Маркарян, 2018
ISBN 978-5-907061-72-9
 НИТУ «МИСиС», 2018

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ....................................................................................................4
Основные принципы создания схемы .....................................................5
Лабораторная работа 1 ............................................................................. 8
Лабораторная работа 2 ......................................................................16
Лабораторная работа 3 ........................................................................... 29
Лабораторная работа 4 ........................................................................... 37
Лабораторная работа 5 ........................................................................... 45
Лабораторная работа 6 ........................................................................... 51
Лабораторная работа 7 ........................................................................... 67
Список литературы ................................................................................ 73

ВВЕДЕНИЕ

Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench 
предназначена для моделирования и анализа электрических схем. 
Программа Electronics Workbench позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы высокой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой 
набор широко распространенных электронных компонентов. Есть 
возможность подключения и создания новых библиотек компонентов.
Параметры компонентов можно изменять в широком диапазоне 
значений. Простые компоненты описываются набором параметров, 
значения которых можно изменять непосредственно с клавиатуры, 
активные элементы – моделью, представляющей собой совокупность 
параметров и описывающей конкретный элемент или его идеальное 
представление. Модель выбирается из списка библиотек компонентов, параметры модели также могут быть изменены пользователем.
Результаты моделирования можно импортировать в текстовый или 
графический редактор для их дальнейшей обработки.
Электронная система моделирования EWB имитирует реальное 
рабочее место исследователя – лабораторию, оборудованную измерительными приборами, работающими в реальном масштабе времени.
В настоящей лабораторной работе описываются основные принципы работы с электронной системой моделирования Electronics 
Workbench. Для четкого понимания принципов ее работы необходимо:
 – знание основных принципов работы операционной системы 
Windows;
 – понимание принципов работы основных измерительных приборов (осциллограф, мультиметр и т.п.);
 – знание отдельных элементов радиоэлектронных устройств.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ 
СХЕМЫ

Работа с электронной системой моделирования EWB включает несколько основных этапов: создание схемы, выбор и подключение измерительных приборов, активация схемы и анализ процессов, протекающих в исследуемом устройстве.
В общем случае процесс создания схемы начинается с размещения 
на рабочем поле EWB компонентов из библиотеки программы. Четырнадцать разделов библиотеки программы EBW поочередно могут 
быть вызваны с помощью иконок, расположенных на панели инструментов (рис. 1).

Рис. 1. Панель инструментов программы Electronics Workbench

Каталог выбранного раздела библиотеки располагается в вертикальном окне справа или слева от рабочего поля (устанавливается в любое 
место перетаскиванием стандартным способом – за шапку заголовка). 
Для открытия каталога нужного раздела библиотеки необходимо подвести курсор мыши к соответствующей иконке и нажать один раз ее левую кнопку. Необходимый для создания схемы значок (символ) компонента переносится из каталога на рабочее поле программы движением 
мыши при нажатой левой кнопки, после чего кнопка отпускается (для 
фиксирования символа). При размещении компонентов схемы на рабочем поле программы можно также воспользоваться контекстным меню, 
возникающим при нажатии на правую клавишу мыши на свободном 
месте рабочего поля. На этом этапе необходимо предусмотреть место 
для размещения контрольных точек и иконок контрольно-измерительных приборов. Выделенный компонент схемы (отражается красным 
цветом) можно повернуть (с помощью сочетания клавиш Ctrl+R или 
пункта меню Circuit>Rotate). При повороте большинство компонентов 
поворачивается на 90° против часовой стрелки при каждом выполнении команды, а для измерительных приборов (амперметр, вольтметр и 
др.) меняются местами клеммы подключения.

С помощью двойного щелчка по значку компонента можно изменить его свойства. В раскрывающемся диалоговом окне устанавливаются требуемые параметры (цвет проводника, сопротивление 
резистора, тип транзистора и т.д.) и выбор подтверждается нажатием кнопки «Ok» или клавиши «Enter» на клавиатуре. Для большого 
числа компонентов можно выбрать параметры, соответствующие реальным элементам (диодам, транзисторам и т.п.) различных производителей.
Если в схеме используются компоненты одинакового номинала 
(например, резисторы с одинаковым сопротивлением), то номинал 
такого компонента рекомендуется задать непосредственно в каталоге 
библиотеки, и затем переносить компоненты в нужном количестве на 
рабочее поле. Для изменения номинала компонента необходимо два 
раза щелкнуть мышью по символу его графического изображения и в 
раскрывающемся после этого окне внести изменения.
При создании схем удобно также пользоваться динамическим 
меню, которое вызывается нажатием правой кнопки мыши. Меню 
содержит команды Help (помощь), Paste (вставить), Zoom In (увеличить), Zoom Out (уменьшить), Schematic Options (параметры схемы), 
а также команды Add <Название компонента>. Эта команда позволяет 
добавить на рабочее поле компоненты, не обращаясь к каталогам библиотеки. Количество команд Add <Название компонента> в списке 
меню определяется количеством типов компонент (резисторов, знака 
заземления и т.д.), уже имеющихся на рабочем поле.
После размещения компонентов производится соединение их выводов проводниками. При этом необходимо учитывать, что к выводу 
компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения курсор мыши подводится к выводу компонента и 
после появления площадки нажимается левая кнопка и появляющийся при этом проводник протягивается к выводу другого компонента 
до появления на нем такой же площадки, после чего кнопка мыши 
отпускается, и соединение готово. При необходимости подключения 
к этим выводам других проводников в библиотеке Basic выбирается 
точка (символ соединения) и переносится на ранее установленный 
проводник.
Чтобы точка почернела (первоначально она имеет красный цвет), 
необходимо щелкнуть мышью по свободному месту рабочего поля. 
Если эта точка действительно имеет электрическое соединение с проводником, то она полностью окрашивается черным цветом. Если на 

ней виден след от пересекающего проводника, то электрического соединения нет и точку необходимо установить заново. После удачной 
установки к точке соединения можно подключить еще два проводника. Если соединение нужно разорвать, курсор подводится к одному 
из выводов компонентов или точке соединения и при появлении площадки нажимается левая кнопка, проводник отводится на свободное 
место рабочего поля, после чего кнопка отпускается.
Если необходимо подключить вывод к имеющемуся на схеме проводнику, то проводник от вывода компонента курсором подводится к 
указанному проводнику и после появления точки соединения кнопка 
мыши отпускается. Следует отметить, что прокладка соединительных проводников производится автоматически, причем препятствия – 
компоненты и другие проводники – огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали). Точка соединения может 
быть использована не только для подключения проводников, но и для 
введения надписей (например, указания величины тока в проводнике, 
его функционального назначения и т.п.). Для этого необходимо дважды щелкнуть по точке и в раскрывшемся окне ввести необходимую 
надпись. 
Каждый элемент может быть передвинут на новое место. Для этого он должен быть выделен и перетащен с помощью мышки. При 
этом расположение соединительных проводов изменится автоматически. Можно также переместить целую группу элементов: для этого их 
нужно последовательно выделять мышкой при нажатой клавише Ctrl, 
а затем перетащить их в новое место. Если необходимо переместить 
отдельный сегмент проводника, к нему подводится курсор, нажимается левая кнопка и, после появления в вертикальной или горизонтальной плоскости двойного курсора, производятся нужные перемещения.
После подготовки схемы рекомендуется составить ее описание 
(соответствующее окно вызывается из меню Window > Description 
или с помощью сочетания клавиш Ctrl+D).

Лабораторная работа 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ 
И ХАРАКТЕРИСТИК БАЗОВЫХ 
ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ТТЛ ЛОГИКИ

Цель работы: изучить базовые элементы, входящие в состав 
сложных цифровых ИМС.

Большинство цифровых ИС представляет собой логические элементы, выполняющие функции НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, 
триггеры JK и D – типов. Это так называемые базовые функциональные элементы. Их основные электрические параметры определяют 
характеристики практически всех ИС, входящих в состав серии. От 
этих параметров зависят возможности совместной работ ИС разных 
серий в составе аппаратуры.
Основой для биполярных цифровых интегральных схем является 
многоэмиттерный транзистор, обеспечивающий реализацию логических операций И и ИЛИ. Он используется во входных цепях микросхем, а вместе с обычным транзистором-инвертором образует базовую логическую схему. Цифровые ИС, в которых для логических 
операций И и ИЛИ используются многоэмиттерные транзисторы, 
а для операции НЕ – транзисторный инвертор, получили название 
транзисторно-транзисторной логики или сокращенно ТТЛ. Схема базового элемента ТТЛ содержит три основных каскада.
Первый каскад создан на базе многоэмиттерного транзистора Т1, 
выполняет логическую функцию И, работает либо в режиме насыщения 
(при входных логических 0), либо в инверсном режиме (при входных логических 1), но в этом режиме коэффициент усиления по току мал.
Второй каскад – фазоразделительный (фазоинверсный, расщепитель фазы), обеспечивает в любой момент времени открытое состояние либо транзистора Т3, либо транзистора Т4. Это позволяет сделать 
R4 малым, и в результате вентиль ТТЛ имеет низкое выходное сопротивление как в состоянии логического 0, так и в состоянии логической 1. Это в свою очередь обеспечивает малое время заряда емкостей на выходе и, следовательно, повышает быстродействие схемы.
Однако когда транзистор Т2 открывается, он сразу открывает Т4 
и пытается закрыть Т3. Благодаря накоплению носителей заряда Т3 
закрывается не мгновенно, и в течение некоторого интервала време

ни оба транзистора будут находиться в проводящем состоянии. Это 
приводит к возникновению броска тока в цепи источника питания, 
величина которого ограничена резистором R4. Бросок тока не только 
создаёт помехи, но также увеличивает мощность, рассеиваемую вентилем. Этот каскад при необходимости может быть использован для 
реализации функции ИЛИ и работает в режиме с малым рабочим током и хорошим быстродействием.
Третий каскад выполняет функцию сложного инвертора на базе 
транзисторов Т3 и Т4. Это двухтактный усилитель, обеспечивающий 
потребление тока от источника питания в основном в момент переключения схемы из 0 в 1 или из 1 в 0. Транзистор Т4 рассчитан на 
большой рабочий ток и высокое быстродействие.

Рис. 1.1. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

1. Собрать схему по рис. 1.1 и исследовать.
2. Составить таблицу по результатам эксперимента.
3. По таблице определить, какую логическую функцию реализует 
схема.
В качестве VT1 используется многоэмиттерный транзистор, отсутствующий в библиотеке EWB. Поэтому для рассмотрения принципа 
действия входного каскада переходы база эмиттеры представлены в 
виде диодов, как на рис. 1.2.

Рис. 1.2. ТТЛ с эквивалентной схемой многоэмиттерного транзистора

Эмиттерно-связная логика

Микросхемы на основе ЭСЛ получили широкое распространение 
в качестве элементной базы быстродействующей вычислительной и 
радиоэлектронной аппаратуры. Основное достоинство ИС ЭСЛ – высокое быстродействие при средней потребляемой мощности и средневысокое быстродействие при большой потребляемой мощности, 
малая энергия переключения, большая нагрузочная способность, широкий функциональный набор микросхем. 
Основные серии ИС ЭСЛ: 100, 500, К500, 700, К1500.
1. Собрать представленные на рис. 1.3 и рис. 1.4 схемы.
2. Изучить данные схемы.
3. Составить таблицу состояний по результатам каждого эксперимента.
4. По таблице определить, какую логическую функцию реализует 
каждая из представленных схем. 

Рис. 1.3. Реализация логической функции

Рис. 1.4. Реализация логической функции