Labáky mix 2

logie mají také mnoho jiných variant (rychlé, Schottkyho, atd.). A nesmíme zapomenout na nyní nejvíce používanou technologii CMOS, která používá unipolárních tranzistorů.
NAND v technologii TTLNAND v technologii CMOS
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 udává závislost vstupního proudu na vstupním napětí.V katalogu jsou uváděny hodnoty maximálních vstupních proudů pro obě logické úrovně na vstupu a často jsou také zobrazeny i grafy vstupní charakteristiky. Vstupní charakteristiku měříme pouze s jedním vstupem hradla NAND, další vstupy jsou připojeny na úroveň H (+5 V).
Výstupní charakteristika je závislost výstupního proudu na výstupním napětí. Pro každé
hradlo jsou však dvě výstupní charakteristiky: pro výstupní úroveň L a H. Pro měření s výstupní úrovní L, musíme
vstupy hradla NAND připojit na H a naopak (hradlo invertuje).
Vstupní charakteristikaVýstupní charakteristika
Vstupní a výstupní charakteristiky (hodnoty vstupních proudů a mezní hodnoty výstupních proudů pro obě logické úrovně) jsou důležité při návrhu digitálních obvodů. Tyto hodnoty udávají, kolik je možné zapojit vstupů hradel dané technologie na jeden výstup. Tomuto parametru se říká logický zisk. Jeho hodnotu získáme podle následující rovnice.
kde AH je logický zisk při logické úrovni H , AL je logický zisk při logické úrovni L , IIH je vstupní proud při H, IOH je výstupní proud při H, IIL je vstupní proud při L, IOL je výstupní proud při L. Skutečný logický zisk je dán menší hodnotou AH nebo AL.
Další důležitou charakteristikou je převodní charakteristika. Ta udává závislost výstupního napětí v závislosti na vstupním. Z této charakteristiky se dá určit prahové napětí, což je napětí, při kterém dojde k překlopení výstupní úrovně na opačnou. Prahová napětí u hradel vyrobených různými technologiemi jsou různá. Proto musíme dát pozor při připojování hradel na výstup hradla jiné technologie. Například deklarovaná úroveň H na výstupu hradla
TTL je od 2,4 V až do napájecího napětí a prahové napětí obvodu CMOS je přibližně polovinou napájecího napětí (při napájení +5 V je to přibližně 2,5 V). Při výstupním napětí TTL mezi 2,4 až 2,5 V může dojít k hazardu při zpracování tohoto signálu vstupem hradla v technologii CMOS.
Zdržení hradla je dynamický parametr, který bývá uveden v katalozích. Je to o zdržení reakce výstupu logického členu při skokové změně logické hodnoty vstupního signálu. Pro změření zpoždění hradla potřebujeme generovat obdélníkový signál s nastavenými úrovněmi TTL (UL = 0 V, UH = 5 V), který přivedeme na vstup hradla. Na osciloskopu zobrazíme vstupní signál a současně výstupní signál. Časový rozdíl měříme v 50 % mezi napětím úrovně
H a napětím úrovně L.

Vypracování:
Graf vstupní charakteristiky.
Graf výstupní charakteristiky úroveň L
Graf výstupní charakteristiky úroveň H
Graf převodní charakteristiky
Excel.Chart.8 \s
Změřená doba zpoždění:
Zpoždění 4 hradel HC 24ns => 1 hradlo 6ns
Zpoždění 4 hradel LS 36ns => 1hradlo 9ns
Max. hodnoty vyčtené z katalogu:
74HC00 7 ns
74LS00 3 – 10 ns
Převodní charakteristika hradla TTL
Přístroje:
Multimetr HP 34401A
Osciloskop Tektronix TDS 3052B
Zdroj Diametral P230R51D
Zdroj HP E3632A
Log. obvody MH5400,74LS00,74HC00,74HCT00,4011
PC
Závěr:
Výsledky měření byly zpracovány do grafů. Z grafů lze vyčíst rozdílné hodnoty vstupních a výstupních parametrů v závislosti na použitém vnitřním zapojení jednotlivých obvodů. Námi naměřená převodní charakteristika zhruba odpovídá převodní charakteristice uvedené na přednášce.

Kontrolní otázky :
1) Výpočet logického zisku.

2) Propojení obvodů TTL a CMOS



Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory
Jméno
David Raszka
Ročník
2.
Studijní skupina
Spolupracoval
Miroslav Pyszko
Měřeno dne
28.04.2004
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
4
Generátory pravoúhlých signálů
Zadání
Sestavte generátor s derivačními články a hradly NAND pro vyučujícím zadaný kmitočet. Zobrazte časové průběhy v důležitých uzlech. Porovnejte naměřené průběhy s průběhy teoretickými.
Navrhněte a zrealizujte generátor s obvodem 555 (bez zapojeného trimru) tak, aby generoval signál se zadaným kmitočtem. Připojte na výstup a vstup I2 obvodu 555 osciloskop a zakreslete nebo vytiskněte průběhy v těchto uzlech. Poté zapojte do obvodu i trimr a změřte a nakreslete závislost výstupního kmitočtu na řídicím napětí f = f(UR). Měřte pro dostatečný počet bodů charakteristiky. Určete rozsah řídicího napětí, pro který je převod lineární a určete převodní konstantu (rozměr 1/V).¨
Zapojte impulsní generátor s monostabilním klopným obvodem 74HCT123. Zobrazte a zakreslete nebo vytiskněte výstupní průběhy generátoru.
Teoretický úvod
V digitální technice se často používají generátory obdélníkového průběhu s výstupními úrovněmi TTL. Jejich střída bývá často 1:1, ale není to pravidlo. Existují tzv. impulsní generátory, které periodicky generují impulsy, jejichž doba trvání je mnohem kratší než polovina periody.
Pro jednoduché aplikace, nenáročné na přesnost a stabilitu výstupního kmitočtu, se používají generátory RC. Pro přesné a stabilní generátory se využívá selektivních vlastností piezoelektrického rezonátoru (krystalu).
Generátor, jehož schéma je uvedeno na obr. 1, používá pasivní členy RC jako jednoduché časovací obvody pro generování požadovaného kmitočtu. Odpory rezistorů R1 a R2 se musí volit s ohledem na vstupní proud při úrovni L. Úbytek napětí na těchto rezistorech nesmí přesáhnout 0,8 V, což je velikost napětí do které je deklarovaná úroveň L. Kmitočet výstupního signálu je dán následujícím vztahem.
Doba úrovně H na výstupu je dána derivačním článkem R2 C2 a doba úrovně L je dána článkem R1 C1. V případě, kdy platí R1 = R2 a současně C1 = C2, je střída výstupního signálu 1:1.
1. Schéma zapojení s derivačními články
Další možnost, jak navrhnout generátor obdélníkového průběhu, je použití univerzálního časovače 555 s vhodnou kladnou zpětnou vazbou. Na obr. 2 je uvedeno blokové schéma obvodu 555. Základem obvodu jsou dva napěťové komparátory K1 a K2, z jejichž výstupů je ovládán klopný obvod RS. Mezi vývody 1 (společný vodič) a 8 (napájení) jsou zapojeny tři stejné rezistory s odporem 5 kΩ. Na tento dělič napětí jsou připojeny komparátory vždy jedním vstupem. Zbylé dva vstupy komparátorů tvoří dva využitelné vstupy časovače. Klopný obvod je ovládán výstupy obou komparátorů a také externím vstupem časovače R0. Na výstup klopného obvodu je zapojen výkonový invertor, jehož výstup je zároveň výstupem celého časovače. Na výstup klopného obvodu je také připojena přes rezistor RB báze tranzistoru T, který je zapojen jako výstup s otevřeným kolektorem celého časovače.
Funkci obvodu 555 můžeme popsat zjednodušeně. Bude-li vstupní napětí vstupu 2 časovače (R1) větší než 2/3 UB, výstup komparátoru K2 vynuluje klopný obvod, stejně jako kdyby byl vynulován pomocí nulovacího vstupu časovače R0. Na výstupu celého časovače bude úroveň L (napětí blížící se potenciálu společného vodiče). Tranzistor T bude sepnut, takže výstup otevřený kolektor bude připojen ke společnému vodiči. Bude-li vstupní napětí vstupu 1 časovače (S) menší než 1/3 UB, výstup komparátoru K1 aktivuje klopný obvod RS. Na výstupu celého časovače (výstup) bude H (napětí blížící se potenciálu napájecího napětí UB). Tranzistor T je rozepnut. Z obvodu 555 je vyvedeno referenční napětí REF, které je rovno 2/3 UB. K vývodu REF můžeme připojit i vnější jiné referenční napětí UR. Pak nebudou vztažná napětí komparátoru 2/3UB a 1/3 UB, ale napětí UR a ˝ UR.
2. Zjednodušené vnitřní schéma obvodu 555
Tento obvod lze použít jako monostabilní klopný obvod, zpožďovač, generátor obdélníkového průběhu o konstantním kmitočtu, generátor řízený napětím atd. Na obr. 3 je schéma generátoru s obvodem 555, jehož výstupní kmitočet je řízen napětím na vstupu RF.
3. Schéma generátoru pravoúhlých kmitů s obvodem 555 řízeného napětím
V případě, že by odporový dělič realizovaný trimrem RR nebyl do obvodu zapojen, získáme generátor, jehož výstupní kmitočet je dán odpory rezistorů RA, RB a kapacitou kapacitoru C. Vztahy pro výpočet doby, kdy je na výstupu H (t1) a kdy je L (t2) jsou následující.
Většinou postupujeme tak, že si zvolíme C a pak dopočítáme RA a RB.
Další možnost, jak navrhnout generátor obdélníkového průběhu, je použití dvou monostabilních klopných obvodů podle obr. 4.
4. Schéma generátoru s monostabilními klopnými obvody 74HCT123
Klopný obvod 1 generuje impulsy s dobou trvání danou vztahem
T1 je doba trvání H na výstupu Q1. Sestupnou hranou těchto impulsů se spouští klopný obvod 2, který generuje pulsy s dobou trvání
T2 je doba trvání L na výstupu Q1. Sestupná hrana tohoto impulsu zase spouští klopný obvod 1. Celková doba periody je dána vztahem
Člen R3 C3 zajišťuje bezpečný rozběh po zapnutí napájení. Generátor generuje pulsy pouze je-li sepnuté tlačítko start.
Zpracování
Grafy, časové průběhy:
Úkol č.1
Obvod byl zapojen dle obr. 1.
Průběh signálu v bodech A, B pro C1 = C 2 = 22nF, R1 = R2 = 1,5kΩ
Zobrazení průběhů:

Frekvence signálů tohoto generátoru závisí na velikosti kondenzátoru C1 a velikostech rezistorů RA a RB. Střída je dána vzájemným poměrem rezistorů RA a RB.
Teoretické průběhy na časovači 555
Naměřené hodnoty na vývodu 3:
Na vývodu 6:Závislost frekvence na řídícím napětí:
U[V]
f [Hz]
2
320
2,23
485
2,34
581
2,45
645
2,5
645
2,56
621
2,58
606
2,71
490
2,9
322
Použité přístroje
zdroj Diametral P230R51D
osciloskop HP 54600A
multimetr M890G s měřícími kabely
kontaktní pole s modulem
IO 74LS00, NE555, 74HC123
nářadí - kleště na integrované obvody
pasivní součástky - sada rezistorů a kondenzátorů, potenciometr s vývody na K.P.
vodiče, texty
Kontrolní otázky
Jak byste realizovali generátor obdélníkového průběhu s obvodem 555, aby měl střídu 1:1?
– pokud požadujeme u generátoru s obvodem 555 střídu u generovaného signálu 1:1, nahradíme rezistor RA zkratem
Vysvětlete pojmy monostabilní klopný obvod, bistabilní klopný obvod a astabilní klopný obvod.
–
Monostabilní klopný obvod:
má jeden stabilní a jeden kvazistabilní stav,
přechod ze stabilního stavu do kvazistabilního se děje vnějším podnětem, zpět se vrací za dobu danou vnitřní proměnnou obvodu
Bistabilní klopný obvod:
má dva stabilní stavy,
překlopení z jednoho stavu do druhého se děje na základě vnějšího podnětu
Astabilní klopný obvod:
má dva kvazistabilní stavy, které se mezi sebou střídají po čase daném vnitřní proměnnou obvodu
K čemu se v digitální technice používají monostabilní klopné obvody?
– ke generování impulsů konstantní délky, jako generátory obdélníkových impulsů, časovače, tvarovače…..
Závěr
Sestavili jsme generátor s derivačními články, použili kondenzátory 22pf a odpory 1,5 K ohm. Použili jsme kapacitory o hodnotách 22nF a rezistory s hodnotami 1,5kΩ. V uzlech A a B jsme pomocí osciloskopu zobrazili průběh napětí. Teoretická frekvence generovaného signálu činí 13,77kHz. Reálná námi změřená frekvence činila 13,85kHz. Rozdíl mezi vypočtenou a skutečnou hodnotou je způsoben tolerancemi součástek.
Pomocí obvodu CMOS 555 jsme měli realizovat generátor signálu o frekvenci 750 kHz. Pro tuto hodnotu jsme nemohli nalézt vhodné součástky a tak jsme hodnoty kondenzátorů zvolili 100nF ( brali jsme v potaz frekvenci 750Hz) a podle příslušných vztahů jsme vypočetli hodnoty rezistorů RA=9,4k ohm a RB=1,7k ohm.. Tyto hodnoty odporů se nevyrábějí, takže jsme použili rezistory s hodnotami 10k a 1,5k. Na osciloskopu jsme zobrazili průběh výstupního napětí. Frekvence námi realizovaného generátoru byla 660 Hz. Rozdíl mezi touto a zadanou hodnotou je přibližně o 13,6%. Toto je způsobeno použitím odlišných součástek a také jejich tolerancí.
Teoretický průběh generátoru s derivačnímy články

Generátory pravoúhlých signálů
Teoretický úvod
V digitální technice se často používají generátory obdélníkového průběhu s výstupními úrovněmi TTL. Jejich střída bývá často 1:1, ale není to pravidlo. Existují tzv. Impulzní generátory, které periodicky generují impulzy, jejichž doba trvání je mnohem kratší než polovina periody.
Pro jednoduché aplikace, nenáročné na přesnost a stabilitu výstupního kmitočtu, se používají generátory RC. Pro přesné a stabilní generátory se využívá selektivních vlastností piezoelektrického rezonátoru (krystalu). Generátor, používá pasivní členy RC jako jednoduché časovací obvody pro generování požadovaného kmitočtu. Odpory rezistorů R1 a R2 se musí volit s ohledem na vstupní proud při úrovni L. Úbytek napětí na těchto rezistorech nesmí přesáhnout 0,8 V, což je velikost napětí do které je deklarovaná úroveň L. Kmitočet výstupního signálu je dán následujícím vztahem.
Doba úrovně H na výstupu je dána derivačním článkem R2 C2 a doba úrovně L je dána článkem R1 C1. V případě, kdy platí R1 = R2 a současně C1 = C2, je střída výstupního signálu 1:1.
Další možnost, jak navrhnout generátor obdélníkového průběhu, je použití univerzálního časovače 555 s vhodnou kladnou zpětnou vazbou. Základem obvodu jsou dva napěťové komparátory K1 a K2, z jejichž výstupů je ovládán klopný obvod RS. Mezi vývody 1 (společný vodič) a 8 (napájení) jsou zapojeny tři stejné rezistory s odporem 5 kΩ. Na tento dělič napětí jsou připojeny komparátory vždy jedním vstupem. Zbylé dva vstupy komparátorů tvoří dva využitelné vstupy časovače. Klopný obvod je ovládán výstupy obou komparátorů a také externím vstupem časovače R0. Na výstup klopného obvodu je zapojen výkonový invertor, jehož výstup je zároveň výstupem celého časovače. Na výstup klopného obvodu je také připojena přes rezistor RB báze tranzistoru T, který je zapojen jako výstup s otevřeným kolektorem celého časovače.
Funkci obvodu 555 můžeme popsat zjednodušeně. Bude-li vstupní napětí vstupu 2 časovače (R1) větší než 2/3 UB, výstup komparátoru K2 vynuluje klopný obvod, stejně jako kdyby byl vynulován pomocí nulovacího vstupu časovače R0. Na výstupu celého časovače bude úroveň L (napětí blížící se potenciálu společného vodiče). Tranzistor T bude sepnut, takže výstup otevřený kolektor bude připojen ke společnému vodiči. Bude-li vstupní napětí vstupu 1 časovače (S) menší než 1/3 UB, výstup komparátoru K1 aktivuje klopný obvod RS.
Na výstupu celého časovače (výstup) bude H (napětí blížící se potenciálu napájecího napětí UB). Tranzistor T je rozepnut. Z obvodu 555 je vyvedeno referenční napětí REF, které je rovno 2/3 UB. K vývodu REF můžeme připojit i vnější jiné referenční napětí UR. Pak nebudou vztažná napětí komparátoru 2/3UB a 1/3 UB, ale napětí UR a ˝ UR.
Generátor s pasivními členy RCBlokové schéma obvodu 555
Tento obvod lze použít jako monostabilní klopný obvod, zpožďovač, generátor obdélníkového průběhu o konstantním kmitočtu, generátor řízený napětím atd. Schéma generátoru s obvodem 555, jehož výstupní kmitočet je řízen napětím na vstupu RF.
V případě, že by odporový dělič realizovaný trimrem RR nebyl do obvodu zapojen, získáme generátor, jehož výstupní kmitočet je dán odpory rezistorů RA, RB a kapacitou kapacitoru C. Vztahy pro výpočet doby, kdy je na výstupu H (t1) a kdy je L (t2) jsou následující.
Většinou postupujeme tak, že si zvolíme C a pak dopočítáme RA a RB. Další možnost, jak navrhnout generátor obdélníkového průběhu, je použití dvou monostabilních klopných.
Generátor 555 kmitočet řízen napětím na vstupu RFGenerátor se dvěma monostabilními obvody
Klopný obvod 1 generuje impulzy s dobou trvání danou vztahem
T1 je doba trvání H na výstupu Q1. Sestupnou hranou těchto impulzů se spouští klopný obvod 2, který generuje pulzy s dobou trvání
T2 je doba trvání L na výstupu Q1. Sestupná hrana tohoto impulzu zase spouští klopný obvod 1. Celková doba periody je dána vztahem
Člen R3 C3 zajišťuje bezpečný rozběh po zapnutí napájení. Generátor generuje pulzy pouze je-li sepnuté tlačítko start.

Vypracování:
Úkol
R1 = R2 = 1,5k
C1=C2 = 22nF.
T=72us.
Úkol
Zadaný kmitočet jsme museli několikráte měnit, protože jsme nebyli schopni nalézt potřebné součástky. Po sérii výpočtů jsme si nakonec nechali zadat frekvenci 29Hz, přičemž střída bude 3:4.
t2 = 0,7 * C * (RB + RA) = 0,7 * 44e-9 * 670e3 = 20, 636ms
t1 = 0,7 * C * RB = 0,7 * 44e-9 *470e3 = 14,47ms
Námi změřená doba
T2 = 20,6ms t1 = 15ms
Ověření měření:
t1 + t2 = 20,6 + 15 = 35,6ms => f = 28.08 Hz
Použité hodnoty.
RA = 200k , RB = 470k, C = 44nF.
3) Úkol
R1 = 200k, C1 = 44nF R2=470k, C2=100nF
t1 = 0,7 * R1 *C1 = 200k * 44n = 6,16ms
t2 = 0,7 *R2 * C2 = 470k * 100n = 32,9ms
T= t1 + t2 = 39,08ms => f= 26,2055Hz
Závěr:
Úlohy jsme se stavili a změřili. Protože jsme však dlouho hledaly a zkoušeli hodnoty součástek v druhém bodě úlohy a také jsme si neuvědomily, že napájecí část nepájivého pole není uprostřed propojena, nestihli jsme změřit převodní charakteristiku a z ní určit lineární část.
Všechny výpočty jsou uvedeny u jednotlivých měření.
Odpovědi na kontrolní otázky:
Realizovali by jsme jej pomocí vhodně zvolených odporů. Tj. vynecháním odporu RA
Monostabilní obvod má jeden stabilní stav.
Bistabilní K.O. se může nacházet buď ve stavu jedna nebo ve stavu 0.
Astabilní klopný obvod nemá žádny stabilní stav a proto pořád kmitá.
3) Monostabilní obvod se dá použít ke zkracování a prodlužovní impulsů nebo jako generátor impulsů.


Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory
Jméno
David Raszka
Ročník
2.
Studijní skupina
Spolupracoval
Miroslav Pyszko
Měřeno dne
28.04.2004
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
5
Minimalizace logické funkce
Zadání
Navrhněte obvod, který bude plnit vyučujícím zadanou neminimalizovanou funkci (úplný term) pomocí obvodů AND, OR a invertorů. Zaznamenejte počet použitých hradel a počet použitých pouzder integrovaných obvodů (pokud se daný typ obvodu vyrábí).
Minimalizujte zadanou funkci pomocí Karnaughovy mapy a nakreslete schéma obvodu řešícího nalezenou funkci s obvody NAND a invertorů.
Realizujte minimalizovanou funkci obvodem a ověřte jeho správnou funkci. Zaznamenejte počet použitých hradel a počet použitých pouzder integrovaných obvodů.
Navrhněte obvod s multiplexerem (integrovaný obvod 74ALS151) tak, aby splňoval zadanou logickou funkci.
Zrealizujte zadanou funkci obvodem s multiplexeru a ověřte jeho správnou funkci. Zaznamenejte počet použitých hradel a počet použitých pouzder integrovaných obvodů.
Porovnejte všechny tři realizace (počet pouzder, počet hradel, velikost místa na desce plošných spojů a případně celkové ceny použitých obvodů) a zhodnoťte, která realizace je nejvhodnější pro zadanou funkci a proč.
Teoretický úvod
Pravdivostní tabulka obsahuje hodnoty výstupních proměnných pro všechny stavy vstupních proměnných. Proto má tabulka počet řádků daný číslem 2N , kde N je počet vstupů. Kombinace vstupních proměnných se nejčastěji uvádí jako posloupnost přirozených čísel v binárním kódu. Při tomto způsobu zápisu vyjadřují uvedená čísla stav jednotlivých vstupních proměnných a označují se jako stavový index.
Logickým výraz lze zapsat mnoha způsoby, ale nejčastější je jako součet součinových termů. Každý součinový term (minterm) je zápis každého stavu vstupních proměnných. Zápis v úplném součtovém tvaru dostaneme z tabulky tak, že funkci zapíšeme jako součet mintermů odpovídajících řádkům tabulky, pro něž tato funkce má hodnotu H. Každý součinový term je realizován obvodem AND a výsledný součet všech součinových termů je realizován obvodem OR.
Nejčastěji používané mapy pro minimalizaci, takže i pro zápis logické funkce, jsou mapy Karnaughovy. Karnaughova mapa má 2N polí, kde N je počet vstupů. Každé pole zastupuje jeden řádek v pravdivostní tabulce. Do pole se zapisuje hodnota výstupu při vstupní kombinaci reprezentované polem.
Minimalizace logické funkce se provádí nejčastěji pomocí Karnaughovy mapy. V mapě vytvoříme smyčky tak, že všechna pole v mapě, která mají hodnotu H musí být obsažena alespoň v jedné smyčce, přičemž se smyčky mohou překrývat. Smyčky musí zahrnovat co nejvíce polí a nesmí mít vnější úhly menší než 180° (nesmí být ve tvaru písmene L nebo T). Nesmíme zapomenout