Podstawy elektroniki cz. 2 Wykład 2

Transkrypt

1 Podstawy elektroniki cz. 2 Wykład 2

2 Elementarne prawa Trzy elementarne prawa 2

3 Prawo Ohma Stosunek natężenia prądu płynącego przez przewodnik do napięcia pomiędzy jego końcami jest stały R U I 3

4 Prawo Ohma Jeśli U to napięcie, I prąd, a R rezystancja to, aby policzyć brakujący współczynnik, wystarczy zakryć go palcem: 4

5 Pierwsze prawo Kirchhoffa Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z tego węzła. 5

6 Pierwsze prawo Kirchhoffa przykład 6

7 Drugie prawo Kirchhoffa przykład Suma spadków napięcia w obwodzie zamkniętym jest równa zeru 7

8 Drugie prawo Kirchhoffa przykład 8

9 Podstawy techniki cyfrowej Podstawy techniki cyfrowej 9

10 Stany logiczne W technice cyfrowej posługuje się pojęciem stanów logicznych. Można wyróżnić następujące stany Wysoki Niski Nieustalony Wysokiej impedancji 10

11 Zbocza Moment przejścia ze stanu niskiego na wysoki nazywamy zboczem narastającym, natomiast jeśli przejście następuje ze stanu wysokiego na niski zboczem opadającym Wejścia układów cyfrowych mogą być aktywowane określonym stanem logicznym lub zboczem 11

12 Typy wejść układów cyfrowych Synchroniczne i asynchroniczne Synchroniczne: zmiana stanu na wejściu jest uwzględniana w momencie pojawienia się określonego zbocza Asynchroniczne: zmiana stanu na wejściu jest uwzględniana natychmiast 12

13 Typy wejść układów cyfrowych Wejścia z aktywnym stanem wysokim lub aktywnym stanem niskim W przypadku wejść z aktywnym stanem niskim (zanegowanych) wejście reaguje na pojawienie się stanu niskiego 13

14 Typy wyjść układów cyfrowych Wyjście dwustanowe: na wyjściu występuje zawsze jeden z dwóch stanów logicznych, wysoki lub niski Wyjścia trójstanowe: oprócz stanu wysokiego lub niskiego, na wyjściu może pojawić się stan wysokiej impedancji 14

15 Typy wyjść układów cyfrowych Niektóre układy cyfrowe posiadają wyjścia typu otwarty kolektor lub otwarty dren. Na wyjściu tym może pojawić się jeden z dwóch stanów logicznych: niski lub wysokiej impedancji. Stan wysokiej impedancji zostaje zastąpiony stanem wysokim po dodaniu rezystora podciągającego wyjście do dodatniej linii zasilania 15

16 Łączenie wejść układów cyfrowych Łączenie wejść układów cyfrowych jest dozwolone w większości sytuacji, pod warunkiem, że Wszystkie połączone wejścia oraz sterujące nimi wyjście mają zbliżone przedziały napięć dla stanu wysokiego i niskiego Nie jest przekroczona wydajność prądowa wyjścia, do którego są podłączone 16

17 Łączenie wyjść układów cyfrowych Łączenie wyjść układów cyfrowych jest wykorzystywane bardzo rzadko i tylko w sytuacjach, kiedy jest pewność, że na połączonych wyjściach nigdy nie wystąpią przeciwne stany logiczne Łączenie wyjść (a dokładniej, równoległe łączenie bramek) wykorzystuje się dla zapewnienia większej wydajności prądowej wyjścia, np. gdy układ cyfrowy steruje bezpośrednio tranzystorem o małym wzmocnieniu 17

18 Technologie wykonania układów cyfrowych TTL (Transistor-transistor logic) Zalety Wysoka maksymalna częstotliwość pracy Odporność na zakłócenia Wady Duży pobór prądu Ograniczony zakres napięć roboczych Stany logiczne Niski: 0 V 0,8 V Wysoki: 2,4 V 5 V 18

19 Technologie wykonania układów cyfrowych CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) Zalety Znikomy pobór prądu Szeroki zakres napięć zasilających Wady Podatność na zakłócenia Zwykle niższa maksymalna częstotliwość pracy niż odpowiedników TTL Stany logiczne Niski: 0 1/3 napięcia zasilania Wysoki: powyżej 2/3 napięcia zasilania 19

20 Technologie wykonania układów cyfrowych ECL (Emitter Coupled Logic): PECL i NECL Zalety Bardzo wysoka maksymalna częstotliwość pracy Wady Duży pobór prądu Podatność na zakłócenia Przy projektowaniu PCB należy stosować reguły jak dla układów w.cz. Stany logiczne (przykładowe, dla PECL, zasilanie 5V) Niski: 3.4 V Wysoki: 4.2 V 20

21 Parametry układów cyfrowych Główne parametry układów cyfrowych to: Dopuszczalny zakres napięcia zasilania Maksymalny pobór prądu Zakresy napięć dla poszczególnych stanów logicznych dla wejść i wyjść Maksymalna częstotliwość pracy lub czas propagacji Wydajność prądowa wyjść 21

22 Elementy logiczne Bramki (N)AND, (N)OR, XOR, NOT Przerzutniki Liczniki Rejestry przesuwne Dekodery Klucze analogowe Multipleksery i demultipleksery Bufory trójstanowe 22

23 Bramki logiczne Bramki logiczne to elementy realizujące elementarne funkcje logiczne, takie jak NOT, (N)AND, (N)OR i XOR Pozwalają na budowę układów realizujących dowolną funkcję logiczną Bramki (N)AND i (N)OR występują w kilku wariantach różniących się liczbą wejść 23

24 Bramki logiczne 24

25 Przerzutniki Przerzutnikiem nazywamy układ sekwencyjny, którego stan wyjściowy może zależeć od stanu na wejściu lub stanu wewnętrznego Dzielą się na astabilne, monostabilne i bistabilne W układach cyfrowych zwykle wykorzystuje się przerzutniki bistabilne, mogące pełnić rolę układu pamiętającego, dzielnika częstotliwości licznika itp. 25

26 Przerzutnik RS S R Q n 0 0 Q n ~S ~R Q n Q n-1 26

27 Przerzutnik D S R D > Q ~Q Zbocze narastające Zbocze narastające X Zbocze opadające Q n-1 ~Q n X X X X X X

28 Przerzutnik D prosty dzielnik częstotliwości 28

29 Przerzutnik JK > J K ~S ~R Q ~Q X X X X X X Zbocze opadające Q n-1 ~Q n-1 Zbocze opadające Zbocze opadające Zbocze opadające ~Q n-1 Q n-1 29

30 Liczniki Liczniki pozwalają na zliczanie impulsów zegarowych Elementem składowym licznika są przerzutniki Można je podzielić na Synchroniczne i asynchroniczne Binarne i BCD 30

31 Liczniki Licznik asynchroniczny to licznik, w którym wyjścia mogą chwilowo podawać nieprawidłowy stan logiczny, wynikający z czasu propagacji szeregowo połączonych przerzutników Liczniki synchroniczne posiadają mechanizm synchronizacji zmiany stanu wyjść z sygnałem taktującym, dzięki czemu nie posiadają wyżej opisanej wady przerzutników asynchronicznych 31

32 Prosty licznik asynchroniczny 32

33 Rejestr przesuwny Rejestr przesuwny są układami pozwalającymi na zamianę informacji szeregowej na równoległą i/lub równoległą na szeregową Kolejne bity są wsuwane/wysuwane z takt zegara 33

34 Budowa rejestru z zatrzaskami LATCH i wyjściami trójstanowymi 34

35 i jego diagram czasowy 35

36 Dekodery Dekodery to układy logiczne zamieniające dowolny (ale ustalony) kod na kod 1 z N W technice cyfrowej wykorzystuje się dekodery dekodujące kod binarny lub BCD Dekodery można podzielić na pełne i niepełne Pełne: dowolna kombinacja wejściowa zostanie zdekodowana Niepełne: nie wszystkie kombinacje wejściowe posiadają (unikalne) zdekodowane odpowiedniki 36

37 Dekoder 1 z 10 37

38 i jego tabela prawdy A B C D Dla pozostałych kombinacji wejść A,B,C,D wszystkie wyjścia 0 9 przyjmują stan niski 38

39 Klucze analogowe Klucze analogowe to układy pozwalające na sterowanie przepływem sygnałów analogowych i cyfrowych Podanie stanu wysokiego na wejście ne umożliwia przepływ sygnału między ny i nz Klucze analogowe nie mają zdefiniowanego kierunku przepływu sygnału 39

40 Klucze analogowe 40

41 Multipleksery i demultipleksery Multiplekser jest układem służącym do wyboru jednego z kilku dostępnych sygnałów wejściowych i przekazania go na pojedyncze wyjście Zasada działania multipleksera jest podobna: pozwala na wybór jednego z kilku wyjść i przekazanie na niego sygnału wejściowego Scalone multipleksery występuje zwykle po kilka w jednej obudowie i są połączone tym samym sygnałem sterującym 41

42 Multipleksery i demultipleksery Multipleksery i demultipleksery mogą być zrealizowane w oparciu o bramki logiczne lub klucze analogowe W przypadku wykorzystania kluczy analogowych multiplekser/demultiplekser może działać w obu kierunkach Multipleksery na kluczach analogowych mogą przełączać również sygnały analogowe 42

43 Prosty multiplekser 4 na 1 A B D 0 0 D0 0 1 D1 1 0 D2 1 1 D3 43

44 Prosty demultiplekser 1 na 4 A B D0 D1 D2 D3 0 0 D D D D 44

45 Bufory trójstanowe Bufor trójstanowy to rodzaj bramki umożliwiające odłączenie jej wyjścia od reszty układu poprzez ustawienie go w stan wysokiej impedancji Bufory trójstanowe wykorzystywane są do odłączania fragmentów układu od reszty np. w przypadku współdzielenia szyny danych Występują w wariancie sterowanym pojedynczo, jak i z połączonym wejściem sterującym 45

46 Bufory trójstanowe IN E OUT Hi Z Hi Z IN E OUT 0 0 Hi Z Hi Z

47 Bufory trójstanowe standardowy sposób łączenia 47

48 Najczęściej popełniane błędy przy projektowaniu układów cyfrowych Błędy projektowe powodujące niestabilną pracę układu Nieprawidłowo zaprojektowane i/lub wykonane obwody zasilania Pozostawienie niepodłączonych wejść układów cyfrowych, szczególnie CMOS Prowadzenie linii sygnałowych w pobliżu linii, którymi płyną duże prądy lub wysokie napięcia 48

49 Najczęściej popełniane błędy przy projektowaniu układów cyfrowych Błędy projektowe powodujące niestabilną pracę układu Nieprawidłowe zabezpieczenie przed zakłóceniami zewnętrznymi Niestabilne sygnały wejściowe (np. wynikające z drgania styków) Niestabilny sygnał zegarowy Błędne poziomy stanów logicznych 49

50 Najczęściej popełniane błędy przy projektowaniu układów cyfrowych Błędy logiczne w projekcie Nieuwzględnienie czasów propagacji układów Nieuwzględnienie typów wejść i zależności między wejściami (synchroniczność/asynchroniczność, wejścia reagujące na określone zbocze lub stan logiczny) Nieuwzględnione kombinacje wejściowe stanów logicznych, powodujące brak reakcji układu lub określane jako zabronione Pętle logiczne 50