Labáky mix 1

Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory – Laboratorní cvičení
Jméno
Karol Ollé
Ročník
II.
Studijní skupina
B2TLI-54
Spolupracoval
Vojtěch Novotný
Měřeno dne
25.03.2004
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
1
Měření logickým analyzátorem
Zadání –
Zobrazte všechny průběhy zapojení logického kombinačního obvodu podle Obr. 1.
Zobrazte vstupní a výstupní průběhy čítače a zakreslete je zvlášť pro čítání vpřed a čítání vzad. Použijte integrovaný obvod 74ALS192.
Navrhněte a zrealizujte zadanou děličku pomocí čítače 74ALS193. Průběhy na výstupech čítače zobrazte na logickém analyzátoru a zakreslete.
Zrealizujte kruhový registr pomocí posuvného registru 74ALS96. Na paralelní vstupy uložte libovolné 5-bitové binární číslo. Poté na vstup C připojte generátor a signály na výstupech zobrazte na logickém analyzátoru. Vše zaznamenejte.
Teoretický úvod –
Logický analyzátor je přístroj pro zaznamenávání a zobrazení n-bitového digitálního signálu. Počet zaznamenávaných bitů, doba záznamu (počet zaznamenaných vzorků) jsou závislé na typu přístroje.
- Zpoždění logických obvodů
Každý logický obvod má nějaké časové zpoždění (zdržení), které je dáno rychlostí přechodu tranzistoru z nasyceného stavu do stavu zahrazení. Proto některé rychlé logické obvody TTL užívají Schottkyho tranzistory (tranzistory s připojenou Schottkyho desaturační diodou mezi kolektor a bázi) k zabránění stavu plné saturace tranzistoru.
Obr.1 Zapojení hradel pro měření zpoždění
- Čítače a děličky kmitočtu
Čítač je obvod, který při příchodu impulzu na vstupu (podle typu vstupu vzestupná nebo sestupná hrana vstupního signálu) zvětší (u funkce čítání vzad zmenší) hodnotu binárního čísla na svém, obvykle čtyřbitovém, výstupu o jedničku. Podle funkce rozlišujeme čítače pro čítání vpřed (inkrementování) nebo pro čítání vzad (dekrementování).
Další vlastnosti čítačů - použitý kód binární, BCD, Johnsonův
nulování, přednastavení čítače
výstupy přetečení (podtečení) čítače – přenos do vyššího řádu
- CD a CU jsou vstupy pro čítání vzad a vpřed,
- A, B, C, D jsou přednastavovací vstupy,
- na vstup Lse přivádí přednastavovací impulz
- R je resetovací vstup.
- Čítač obsahuje výstupy A, B, C, D a dále výstupy BO(podtečení) a CA(přetečení).
Obr.2 Schématická značka čítače 74ALS192 a 74ALS193 (označení symbolem CT2)
- Posuvný registr
Posuvné registry jsou obvody sestaveny z vhodně propojených klopných obvodů. Informace se posouvá z jednoho klopného obvodu na další synchronně s hodinovými impulzy. Posuvný registr se používá především pro převod sériové informace na paralelní nebo naopak.
Obr.3 Zapojení posuvného registru
Kontrolní otázky –
Čím je způsobeno zdržení signálu v elektronických obvodech?
- Je to způsobeno dobou kterou potřebuje tranzistor k přechodu z nasyceného stavu do stavu nahrazení.
Jaký je rozdíl mezi čítačem 74ALS192 a čítačem 74ALS193? Nakreslete pravdivostní tabulky. Použijte katalog nebo informace na internetu.
- dekadický čítač s oddělenými vstupy pro čítání vpřed a vzad
- čtyřbitový čítač s oddělenými vstupy pro čítání vpřed a vzad
Pravdivostní tabulka obvodu 74192 –
Pravdivostní tabulka obvodu 74193–
Popište, jak byste realizovali sériový a paralelní registr.
- Sériový registr - Přivést sériová data na sériový vstup A0 registru a na výstupech Q1 až Q5 postupně odebírat výslednou paralelní informaci.
- Paralelní registr - Přivést paralelní data na paralelní vstupy A1 až A5 registru a z výstupu Q1 odebírat výslednou sériovou informaci
Postup měření –
Zapojení log. analyzátoru a zvolení vzorkovacího kmitočtu.
Zobrazení vstupního a výstupního časového průběhu na analyzátoru.
Zobrazení průběhů na všech výstupech čítače a generátoru.
Realizace děličky kmitočtu.
Měření posuvného registru 74ALS96.
Použité přístroje –
č.
Přístroj
Typ
1
Osciloskop
Agilent 54622D
2
Generátor
HP 33120A
3
Zdroj
Diametral P230R51D
4
Modul
7400
5
74193
6
7496
7
Vodiče
2mm-2mm
8
4mm-2mm
9
Koaxiální
10
Plochý k osciloskopu
11
Texty
Závěr -
Zobrazené průběhy logického kombinačního obvodu v úkolu č. 2 odpovídají našemu očekávání.
Realizaci pro měření čítačů jsme provedli pomocí integrovaného obvodu 74ALS192. Časové průběhy pro čítání vpřed i vzad vyšly dle očekávání.
Děličku pěti jsme realizovali pomocí integrovaného obvodu 74ALS193. Časové průběhy opět vyšly dle očekáváni.
Na závěr jsme realizovali kruhový registr pomocí integrovaného obvodu 74ALS96.
Naměřené a vypočtené hodnoty –
- Úkol č. 2
D0
D1
f=3MHz
Vstup
Výstup
Průběh signálu při měření zpoždění na hradlech -
Zpoždění na 3 hradlech je 25,20 ms. (na 4. hradle je změřené zpoždění 7,2 ms) -
- Úkol č. 3
D0
D1
D2
D3
D4
D5
f=100kHz
Čítání vpřed
CU
A
B
C
D
D0
D1
D2
D3
D4
D5
f=100kHz
Čítání vzad
CD
A
B
C
D
- Úkol č. 4
D0
D1
D2
D3
D4
D5
f=5MHz
Dělička
Vstup
CD
A
B
C
D
5-ti
0101
- Úkol č. 5
D0
D1
D2
D3
D4
D5
f=2kHz
Vstup
C
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
10101


Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory – Laboratorní cvičení
Jméno
Karol Ollé
Ročník
II.
Studijní skupina
B2TLI-54
Spolupracoval
Vojtěch Novotný
Měřeno dne
01.04.2004
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
2
Realizace klopných obvodů
Zadání –
Realizujte klopný obvod R-S reagující na vstupech R a S na logickou úroveň H. Použijte hradla NAND. Změřte a zapište pravdivostní tabulku tohoto obvodu a porovnejte s tabulkou uváděnou v katalogu.
Sestavte klopný obvod J-K typu master-slave pomocí hradel NAND. Změřte a zapište pravdivostní tabulku tohoto obvodu a porovnejte s tabulkou uváděnou v katalogu..
Vámi realizovaný klopný obvod J-K modifikujte tak, aby plnil funkci klopného obvodu typu D. Opět změřte a zapište pravdivostní tabulku tohoto obvodu a porovnejte s tabulkou uváděnou v katalogu.
Modifikujte zapojení klopného obvodu D tak, aby plnil funkci klopného obvodu T. Změřte a zapište pravdivostní tabulku tohoto obvodu a porovnejte s tabulkou uváděnou v katalogu nebo v literatuře.
Pomocí klopného obvodu D (integrovaný obvod 74ALS74) realizujte čtyřbitový asynchronní čítač čítající nahoru s nulovacím vstupem. Změřte a zapište pravdivostní tabulku a porovnejte s tabulkou získanou z literatury.
Teoretický úvod –
Klopné obvody jsou nejjednodušší digitální paměťové obvody.
Rozdělení klopných obvodů:
R-S, J-K, T, D
asynchronní a synchronní
reakce na vzestupnou/sestupnou hranu
- Klopný obvod R-S (Reset - Set)
Nejjednodušší klopný obvod. Reaguje na úroveň H na vstupech R a S. Přivedeme-li na vstup S úroveň H, výstup Q se přepne do stavu H. Pokud byl již předtím ve stavu H, tak v něm setrvá. Přivedeme-li L na vstup R, výstup Q se přepne do stavu L. Pokud byl již předtím ve stavu L tak v něm setrvá. Případ, kdy na oba vstupy R i S přivedeme H, nazýváme neurčitý stav.
Obr.1 Klopný obvod R-S
- Klopný obvod J-K
Klopný obvod s vnitřní pamětí, je kombinace dvou klopných obvodů R-S (první je řídicí – master a druhý je řízený – slave).
Dvojčinný klopný obvod J-K byl vyvinut pro odstranění neurčitého stavu klopného obvodu R-S.
Chová se shodně jako obvod R-S, ale připojíme-li na oba vstupy J i K úroveň H (u R-S tzv. neurčitý stav) logická hodnota výstupu se změní v opačnou – invertuje se (L přejde v H a naopak). Veškeré změny výstupní hodnoty se provedou pouze při sestupné hraně hodinového signálu C.
Obr.2 Klopný obvod J-K typu master – slave
- Klopný obvod D
Tento obvod pracuje tak, že logická hodnota přivedená na vstup D se v čase sestupné hrany hodinového signálu C přenese na výstup.
Obr.3 Zapojení klopného obvodu D modifikací klopného obvodu J-K
Klopný obvod D se často používá v čítači. Každý klopný obvod pracuje jako dělička kmitočtu dvěma. Výstupy klopných obvodů jsou zároveň jednotlivými výstupy čítačů.
- Klopný obvod T
Lze jej velmi jednoduše realizovat pomocí klopného obvodu D tak, že datový vstup D připojíme na invertovaný výstup obvodu.
Logická hodnota na výstupu Q se při každé sestupné hraně hodinového signálu změní na opačnou – invertuje se.
Obr.4 Zapojení klopného obvodu T modifikací klopného obvodu D
- Čítač
Klopný obvod D se často používá v čítači. Na obr. 9 je schéma zapojení čtyřbitového asynchronního čítače použitím klopných obvodů D. Každý klopný obvod pracuje jako dělička kmitočtu dvěma. Výstupy klopných obvodů jsou zároveň jednotlivými výstupy čítačů.
Obr.5 Zapojení asynchronního čítače pomocí klopných obvodů D
Kontrolní otázky –
1. K čemu se používají klopné obvody v digitální technice? Uveďte příklad použití klopných obvodů R-S, J-K, D.
Používají se jako malé paměti (registry), stavové obvody a při tvorbě čítačů.
- R-S - požívá se např. při tvorbě DAC převodníků
2. Jak byste modifikovali čítač z obr. 9, aby plnil funkci čítání vzad?
Postup měření –
Zapojení a změření pravdivostní tabulky obvodu R-S
Modifikace obvodu R-S na obvod J-K typu master-slave. Změření pravdivostní tabulky.
Modifikace obvodu J-K na obvod D. Změření pravdivostní tabulky.
Modifikace obvodu D na obvod T. Změření pravdivostní tabulky.
Zapojení čtyřbitového asynchronního čítače čítající nahoru s nulovacím vstupem. Změření pravdivostní tabulky.
Použité přístroje –
č.
Přístroj
Typ
1
Zdroj
Diametral P230R51D
2
Modul
7400
3
7410
4
7474
5
Zobrazovací prvek (4xLED)
6
Modul s generátorem 1Hz
7
Vodiče
2mm-2mm
8
4mm-2mm
9
Texty
Naměřené a vypočtené hodnoty –
- Obvod R-S – Pomocí 1x7400
č.
S
R
YZměřeno
YTeoretické
1
0
0
Y-1
Y-1
2
0
1
0
1
0
3
1
0
1
0
1
4
1
1
1
1
X
- Obvod J-K – Pomocí 2x7410 1x7400
č.
J
K
Y
1
0
0
Y-1
2
0
1
0
1
3
1
0
1
0
4
1
1
Y-1
- Obvod D – Pomocí 2x7410 1x7400
č.
D
Y
1
0
0
1
2
1
1
0
- Obvod T – Pomocí 1x7474
č.
T
Y
1
0
0
1
2
1
1
0
- Čtyř bitový asynchronní čítač, čítající nahoru – Pomocí 2x7474
č.
A
B
C
D
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
2
0
1
0
0
3
1
1
0
0
4
0
0
1
0
5
1
0
1
0
6
0
1
1
0
7
1
1
1
0
8
0
0
0
1
9
1
0
0
1
10
0
1
0
1
11
1
1
0
1
12
0
0
1
1
13
1
0
1
1
14
0
1
1
1
15
1
1
1
1
Závěr –
Realizovali jsme klopné obvody typů – R-S (1x7400)
- J-K (2x7410, 1x7400) – modifikací obvodu R-S
- D (2x7410, 1x7400) – modifikací obvodu J-K
- T (1x7474) – modifikací obvodu D
a provedli realizaci čtyřbitového asynchronního čítače (1x7474), čítající nahoru. Pravdivostní tabulky obvodů (viz. Naměřené a vypočtené hodnoty) nám vyšli dle našich teoretických rozborů a shodně i s katalogovými tabulkami.


Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory – Laboratorní cvičení
Jméno
Karol Ollé
Ročník
II.
Studijní skupina
B2TLI-54
Spolupracoval
Vojtěch Novotný
Měřeno dne
26.02.2004
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
3
Měření charakteristik na automatizovaném pracovišti.
Zadání –
1. Změřte vstupní charakteristiky hradel NAND v různých bipolárních i CMOS technologiích. Proměřte charakteristiky obvodů 7400, 74ALS00, 4011, 74HC00 a 74HCT00.
2. Změřte výstupní charakteristiky hradel integrovaných obvodů uvedených v bodě 1. Výstupní charakteristiky změřte vždy pro úroveň H i L na vstupu hradla.
3. Změřte převodní charakteristiky hradel integrovaných obvodů uvedených v bodě 1. Pro integrovaný obvod 4011 změřte převodní charakteristiku pro napájecí napětí +5 V, +10 V a +15 V.
4. Změřte časové zdržení hradla integrovaného obvodu 74ALS00 a 74HC00 pomocí generátoru a osciloskopu.
5. Vyhledejte v literatuře vstupní, výstupní a převodní charakteristiky měřených hradel, zakreslete je do obrázků se změřenými charakteristikami a porovnejte je.
Teoretický úvod –
Technologie výroby – TTL, DTL, IIL, CMOS. Tyto technologie mají také mnoho jiných variant (rychlé, Schottkyho, atd.)
Každá technologie, případně jejich varianty, mají své specifické chování a vlastnosti. Nás nejvíce zajímají tyto vlastnosti:
- vstupní charakteristika,
- výstupní charakteristika,
- převodní charakteristika,
- přenosová rychlost (zpoždění hradla).
- Vstupní charakteristika
Vstupní charakteristika udává závislost vstupního proudu na vstupním napětí.
Obr.1 Schéma pro měření vstupní charakteristiky hradla
Vstupní charakteristiku měříme pouze s jedním vstupem hradla NAND, další vstupy jsou připojeny na úroveň H (+5 V).
- Výstupní charakteristika
Výstupní charakteristika je závislost výstupního proudu na výstupním napětí. Pro každé hradlo jsou však dvě výstupní charakteristiky: pro výstupní úroveň L a H.
Obr.2 Schéma zapojení pro měření výstupních charakteristik hradla
Pro měření s výstupní úrovní L, musíme vstupy hradla NAND připojit na H a naopak (hradlo invertuje).
- Převodní charakteristika
Udává závislost výstupního napětí v závislosti na vstupním.
Obr.3 Schéma pro měření převodní charakteristiky hradla
- Přenosová charakteristika (zdržení hradla)
Je to o zdržení reakce výstupu logického členu při skokové změně logické hodnoty vstupního signálu.
- Logický zisk
Udává, kolik je možné zapojit vstupů hradel dané technologie na jeden výstup.
KdeAH ……………logický zisk při logické úrovni H
AL……………logický zisk při logické úrovni L
IIH……………vstupní proud při H
IOH……………výstupní proud při H
IIL……………je vstupní proud při L
IOL……………je výstupní proud při L
Postup měření –
Měření vstupní charakteristiky hradel podle Obr. 1.
Měření výstupních charakteristik hradel podle Obr. 2.
Měření převodní charakteristiky hradla podle Obr. 3.
Měření zpoždění hradla.
Porovnání katalogových a naměřených údajů.
Kontrolní otázky –
Stanovte logický zisk pro integrovaný obvod 74ALS00. Potřebné hodnoty najděte v katalogu.
Jak byste řešili připojení vstupu hradla CMOS k výstupu hradla TTL a obráceně.
54HC/74HC jsou konstruovány tak, aby mohly přímo nahradit obvody TTL a bez problémů
s nimi spolupracovat. Jsou vyrobeny zdokonalenou třímikronovou technologií CMOS s
křemíkovými hradly tranzistorů, mají shodné rozložení vývodů na patici jako odpovídající
typy TTL, mají malé napájecí napětí UCC = 2 až 6 V, jejich výstupní úrovně odpovídají
požadavkům na buzení obvodů jak CMOS tak i TTL, avšak z hodnot pro vstupní napětí uIL <
0,2 UCC a uIH > 0,7 UCC je zřejmé, že se dají bez potíží budit z obvodů CMOS, ale že
zaručované výstupní napětí obvodů TTL, uOH > 2,4 V, nebude stačit ke správnému vybuzení
obvodu CMOS, u něhož se při stejném napájecím napětí UCC = 5 V požaduje vstupní napětí
uIH 3,5 V. Tato potíž se však dá u řady 54HC/74HC odstranit jednoduše tím, že připojíte
výstup předřazeného členu TTL přes pomocný rezistor s odporem kolem 10 kΩ na +5 V
a zvýšíte tak jeho uOH. Jiná možnost je použít obvod z řady 54HCT/74HCT, u níž jsou vstupy
vybaveny převodníkem napěťových úrovní, který umožňuje přímé buzení těchto obvodů z výstupů.
Použité přístroje –
1. Agilent 34401A - multimetr
2. HP E3631A
3. HP 8116A
4. Počítač
5. Multimetr Tektronix TDS 2002
Naměřené a vypočtené hodnoty –
Tabulky a grafy viz. přílohy.
Závěr –
Měl jsem zakreslit katalogové hodnoty do změřených grafů. V katalozích jsem ale nalezl jen jednu nebo dvě hodnoty pro danou charakteristiku daného obvodu, což mi přijde málo k zhotovení charakteristiky. Katalogové hodnoty jsou tedy proto přiloženy v přílohách.
Výjimka je obvod 4011BE pro který byli v katalogu přehledné charakteristiky.
Charakteristiky měřených obvodů vyšli správně s několika výjimkami:
4011BE při měření převodní char. pro Ucc 10 a 15 V se neobjevil skok z důvodu malého vstupního napětí
4011BE při měření vstupní char. pro 5V se objevil šum z důvodu malých vstupních proudů logiky C