POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, WYDZIAŁ PPT I-21 LABORATORIUM Z PODSTAW ELEKTRONIKI

Transkrypt

1 Cel ćwiczeni: Zpoznnie sudenów z elemenrnymi funkcjmi logicznymi i ukłdmi relizującymi e funkcje, powszechnie sosownymi w echnice cyfrowej. Wprowdzenie Anlogowe ukłdy elekroniczne przeznczone są do przewrzni sygnłów nlogowych, kóre mogą przyjmowć dowolną wrość z pewnego określonego przedziłu np. npięci, nężeni prądu [3]. WE WY U WY Wzmcnicz ) H L WE Ukłd cyfrowy WY U WYH L Rys.1. Porównnie ukłdów: nlogowego i ) cyfrowego Nomis ukłdy cyfrowe sosowne są do odczyu, przewrzni i zpisu informcji zkodownej w posci dwóch przedziłów wrości npięć (lu nężeń prądów): wysokiego H (High) i niskiego L (Low). Tki dwuwrościowy sygnł nzywny jes inrnym (dwójkowym). Sygnł dwójkowy w określonej chwili może przyjmowć jedną z dwóch wrości npięci oznczonych umownie symolmi 0 (zer i 1 (jedynki) logicznej. Sygnły cyfrowe chrkeryzują się dużą odpornością n zkłóceni i zniekszłceni. Przy sygnłch npięciowych, w kórych wyższemu poziomowi npięci H (rdziej dodni) przyporządkowuje się jedynkę logiczną, niższemu L (mniej dodni) zero logiczne, mówi się o logice dodniej. Konwencj przeciwn nzywn jes logiką ujemną. Poziomy npięć odpowidjące snom zer i jedynki są związne z echnologią relizcji ukłdów logicznych. Njszerzej znne o ukłdy relizowne w echnologii TTL (Trnsisor Trnsisor Logic) i CMOS (Complemenry Mel Oxide Semiconducor) orz ich modyfikcje związne z rozwojem echnologii. Sygnł cyfrowy np. dwójkowy, służy do przedswieni wrości wielkości nieciągłych (zirnisych). Wrości wielkości zirnisej możn zpisć z pomocą komincji cyfr 1 i 0, czyli w posci kodu. Njmniejszą jednoską informcji sygnłu cyfrowego jes i, kóry ozncz jeden z dwóch możliwych snów: 0 lu 1 prwd lu fłsz. Grup iów worzy słowo, licz iów słow określ jego długość. Słowo złożone z 8 iów snowi 1 j możn w nim zpisć 1 z 256 różnych snów. Pierwszy i z lewej srony słow cyfrowego nzyw się iem njrdziej znczącym MSB (Mos Significn Bi), pierwszy i z prwej srony nzywny jes iem njmniej znczącym LSB (Les Significn Bi) [1]. Njczęściej sosowne kody o: nurlny kod dwójkowy, kod Grey, kod dwójkowo-dziesięny BCD (Binry Coded Deciml). Kod BCD jes podziorem nurlnego 4-iowego kodu dwójkowego, kóry określ liczę w sysemie dziesięnym n podswie zleżności: n= Współczynniki 3, 2, 1, 0 mogą przyjmowć wrości ylko 1 lu 0. Wrości ych współczynników odpowidjące liczom dziesięnym w zkresie od zer do pięnsu przedswiono w. 1. Srukurę kodu Grey (4-iowego) przedswiono w. 1c. Kod Grey chrkeryzuje się ym, że ylko jeden i zmieni wrość przy kolejnym zliczeniu. Kod Grey, w przeciwieńswie do nurlnego kodu dwójkowego, nie jes kodem pozycyjnym. Ukłdy elekroniczne służące do przewrzni sygnłów cyfrowych noszą nzwę przeworników cyfrowocyfrowych lu ukłdów logicznych. Sron 1z5

2 Tel 1. Wrości współczynników kodu nurlnego, BCD i kodu Grey kod nurlny (8421) ) kod BCD c) kod Grey n n n Ukłdy logiczne Ukłdy logiczne dzieli się n ukłdy komincyjne i sekwencyjne. Ukłdy logiczne komincyjne o kie, w kórych sn wyjść zleży ylko od kulnego snu n wejścich. W ukłdch logicznych sekwencyjnych sygnły wyjściowe zleżą nie ylko od snów n wejścich, lecz kże od snów wewnęrznych ukłdu zn. od jego hisorii. Njprosszymi ukłdmi logicznymi komincyjnymi są rmki logiczne funkory. Podswowymi ukłdmi sekwencyjnymi są przerzuniki. Przy opisie ukłdów logicznych korzys się z lgery logiki, zwnej eż lgerą Boole. W lgerze logiki dowolne zmienne mogą osiągć ylko dw sny: k lu nie przyierjące wrości: 1 i 0. Funkcję jednej lu wielu zmiennych, kóre są zmiennymi inrnymi nzyw się funkcją przełączjącą. Trzy podswowe funkcje przełączjące używne w lgerze o: przeczenie, sum logiczn i iloczyn logiczny, zwne również: negcją, lernywą i koniunkcją (ng. NOT, OR, AND), ich włściwości definiują lice snów (prwdy) Tel 2. Tlice snów funkcji: AND, ) OR, c) NOT, d) NOR, e) NAND Negcj NOT ) Sum logiczn OR c) Iloczyn logiczny AND d) Znegown sum NOR e) Znegowny iloczyn NAND y= Elemeny fizyczne relizujące podswowe funkcje przełączjące nzyw się elemenmi komincyjnymi, funkormi lu rmkmi logicznymi. 3 [1]. Powszechnie sosuje się eż rmkę Exclusive OR, zwną również symeryczną. Jej symol, lice snów i schem przedswiono n rys.2. ) y = c) = Rys.2. Brmk EXOR: symol grficzny, ) lic snów, c) relizcj rmki EXOR z pomocą rmek NAND Dowolną funkcję logiczną możn przedswić jko komincję zdefiniownych w. 3 dziłń i zrelizowć przy użyciu ww. funkorów. Podswowe dziłni logiczne przedswiono w. 4. Sron 2z5

3 Z pomocą zw. przekszłceń równowżnych możn dokonć zminy elemenów NOR w NAND i odwronie. Relizcje równowżności zchodzących między funkcjmi NOR, NAND, AND i OR są opisne prwmi de Morgn -.4. Tel 3. Oznczeni komincyjnych ukłdów logicznych Ukłd Symol grficzny Funkcj inwerer NOT (NIE) y negcj y= rmk sumcyjn OR (LUB) rmk iloczynow AND (I) NOR (NIE-LUB) NAND (NIE-I) y sum logiczn y iloczyn logiczny y znegown sum y znegowny iloczyn Przykłdowe równowżności między ukłdmi zwierjącymi elemeny OR i AND pokzno n rys.3. OR AND ) AND OR Rys.3. Równowżności między ukłdmi zwierjącymi elemeny OR i AND n przykłdzie relizcji rmek: NOR, ) NOT Prw de Morgn mją isone znczenie przy projekowniu ukłdów logicznych. Poniewż wszyskie wrości liczowe możn wyrzić w posci komincji dwóch snów logicznych, opercje lgericzne w posci opercji n ych snch, więc lger logiki jes rdzo wżn w elekronice. Jednymi z njrdziej rozpowszechnionych ukłdów logicznych są ukłdy TTL, prcujące w logice dodniej. Dążąc do poprwy prmerów ukłdów TTL, wprowdzono serie z rnzysormi Schoky ego: zwykł (74S) orz szyk młej mocy (74LS). Ich wspólne cechy o: npięcie zsilni +5 V (± 5 %) orz poziomy wyjściowych sygnłów logicznych: wysoki 3,5 V (le nie mniej niż 2,4 V), niski 0,2 V (le nie więcej niż 0,4 V), ociążlność 10 do jednego wyjści możn dołączyć 10 sndrdowych wejść. Typową chrkerysykę przejściową ych ukłdów przedswiono n rys. 4. Wymgny zkres inerprecji npięć wejściowych o: dl 0 0,8 V i dl 1 logicznej 2 V. Zwiększone w sosunku do wyjści przedziły wejściowe o 0,4 V snowią mrgines ezpieczeńsw, z uwgi n możliwość wysąpieni zkłóceń. Uproszczoną chrkerysykę przejściową inwerer, ypową dl ukłdów TTL, przedswiono n rys.4 wrz z przedziłmi npięć wejściowych i wyjściowych. Ukłdy logiczne wykorzysuje się w elekronice m.in. w prosych urządzenich uomyki nlizują sny czujników, jk również do kompuerów serujących eksperymenem. Tel 4. Podswowe dziłni logiczne i ich włściwości Lp. Dziłnie Lp. Dziłnie Lp. Prw de Morgn = 5 + = + 9 = 2 1 = 6 c = ( c) = ( ) c 10 = 3 = 7 ( + c) = + c 11 = 4 + = c = + ( + c) = ( + ) + c 12 = Sron 3z5

4 ) c) Inerprecj npięć wejściowych: 0 0,8 V : 0 logiczne 2 5 V : 1 logiczn U WY Genercj npięć wyjściowych: 0 logiczne: 0 0,4 V 1 logiczn: 2,4 5 V Rys.4. Inwerer (negor) wykonny z rmek NAND: schem połączeń, ) chrkerysyk przejściow dl ukłdów TTL, c) wymgne przedziły npięć dl ukłdów TTL W zeswie elemenów logicznych UNILOG 2 ędącym n wyposżeniu snowisk lororyjnego [2], do udowy modułów logicznych wykorzysno sclone ukłdy TTL. W module logicznym 7400 zmonowno ukłd sclony UCY7400 zwierjący 4 dwuwejściowe rmki NAND. Ukłd sclony m prosokąną oudowę i 14 wyprowdzeń. Dw z nich oznczone +5V i 0 V służą do zsilni ukłdu npięciem 5 V, do pozosłych dołączono wejści i wyjści rmek. W module logicznym 7404 zmonowno ukłd sclony UCY7404 *) zwierjący 6 rmek NOT (negorów) rys. 5. UCY V V 8 ) UCY V V 7 Rys.5. Rozkłd wyprowdzeń ukłdów sclonych: UCY7404, ) UCY Przerzuniki Prosymi elemenmi pmięciowymi są przerzuniki (rys. 6). Są o ukłdy dwusnowe. Wyjście przerzunik pod wpływem wymgnej komincji sygnłów n jego wejścich może zmienić swój sn z 0 n 1 lu z 1 n 0. Wyróżni się dw rodzje przerzuników: monosilne i isilne. Przerzunik isilny może w kżdym z dwóch snów pozoswć przez nieogrniczenie długi czs. Nomis przerzunik monosilny ylko pewien zprogrmowny czs, po kórym smoisnie powrc do snu spoczynkowego. S R ) S R S R 0 0 ez zmin 0 0 sn zroniony sn zroniony R 1 1 ez zmin Rys.6. Przerzunik RS i jego lic prwdy zrelizowny n: rmkch NOR, ) rmkch NAND Przerzuniki monosilne mją zdolność zpmięni pojedynczego zdrzeni w posci jednego z dwóch snów: 0 lu 1 logicznej 1 iu informcji. Przykłdem jes przerzunik RS rys.6. Skłd się z dwóch rmek ypu NOR. Posid dw wejści informcyjne: S (Se) i R (Rese) orz dw wyjści: i. Wejści R i S są wejścimi synchronicznymi, ozncz o, że zmin snu n wyjściu nsępuje ezpośrednio po wysąpieniu kywnego snu n odpowiednim wejściu u 1 logicznej. Podonie dził przerzunik złożony z dwóch rmek NAND rys. 6. W ym przypdku snem kywnym jes 0 logiczne sąd spoykne oznczenie przerzunik R, S. Przerzuniki synchroniczne oprócz wejść informcyjnych posidją wejści synchronizujące nzywne zegrowymi (ng. Clock) lu kującymi T. Wykorzysuje się je m, gdzie zchodzi porze zpmięni S *) Sndrdowe oznczeni ukłdów TTL: pierwsze liery oznczją producen: np. UCY CEMI, SN Texs Insrumens, nsępne dwie cyfry (74) wykonnie komercyjne, opcjonlnie nsępne liery o echnologi np. LS orz osnie dwie lu rzy nsępne cyfry oznczją funkcję relizowną przez ukłd np. 00 czery rmki NAND Sron 4z5

5 żądnej informcji w wyrnej chwili czsu, czyli w momencie wysąpieni sygnłu zegrowego. Są o przerzuniki ypu D, JK. Przerzuniki JK njczęściej wysępują w wersji M-S (Mser-Slve). Tki przerzunik worzą dw synchroniczne przerzuniki połączone kskdowo. Przerzuniki ypu D, JK są podswowymi elemenmi rdziej złożonych ukłdów kich jk: liczniki *), rejesry przesuwne, pmięci **). W prkyce nie uduje się liczników z pojedynczych przerzuników lecz korzys się z goowych ukłdów liczących. 3. Zdni pomirowe do wyoru przez prowdzącego 1. Zmierzyć npięcie n wyjściu rmki (NOT, NAND lu NOR) odpowidjące snom 0 i 1 logicznej. Porównć z wymgnymi przedziłmi dne n rys Wyznczyć doświdczlnie licę prwdy dl funkorów: NOT, NAND i NOR. 3. Zudowć rmkę AND i NOR używjąc rmek NAND. Wyznczyć licę snów. 4. Sprwdzić doświdczlnie prw de Morgn - skorzysć z równowżności między funkormi. 5. Zrelizowć z pomocą funkorów i wyznczyć licę snów dl nsępujących funkcji: Y1= A B C, Y2= A B C, Y3=A B C, Y4= A B C Uwg Wszyskie połączeni n mkiecie są relizowne przy użyciu specjlnych kelków. Kelek worzy gięki pojedynczy przewód w izolcji zkończony n ou końcch miniurowymi gnizdmi umieszczonymi w izolcyjnej koszulce. 2. W celu uworzeni połączeni nleży deliknie nłożyć gnizdo przewodu n końcówkę wyprowdzeni, kór m posć kilkumilimerowej szpilki k, y nie złmć ej szpilki. 3. Rozłączjąc połączeni, nleży uchwycić łączący przewód z gnizdo k, y nie uszkodzić połączeni przewodu z gnizdem. Uwg W dolnej części mkiey znjduje się 8 ukłdów generujących sny logiczne 0 lu 1 (SWITCH REGISTER). Kżdy ukłd posid przełącznik dwusnowy i związne z nim dw komplemenrne wyjści oznczone symolmi:,. 2. Nd wyjścimi umieszczono dw rzędy wskźników snów logicznych (DISPLAY REGISTER) po 8 szuk w rzędzie. Wskźnik emiuje świło, gdy n jego wejściu jes 1 logiczn. W celu uworzeni połączeni nleży deliknie nłożyć gnizdo przewodu n końcówkę wyprowdzeni, kór m posć kilkumilimerowej szpilki k, y nie złmć ej szpilki. 3. Do sprwdzni poprwności dziłni udownych ukłdów nleży wykorzysć ww. wskźniki snów dołączjąc je do wejść i wyjść dnych ukłdów. 4. Pyni konrolne 1. Opisć funkcje logiczne podswowych funkorów symol grficzny, lic snów. 2. Zudowć rmkę AND i NOR używjąc ylko rmek NAND. 3. Uprościć funkcje logiczne: A B A B, ) A A B A B, c) [ A B A B A B] A B 4. Wymienić i opisć wymgni doyczące ukłdów logicznych serii TTL npięci zsiljące, poziomy npięć dl zer i jedynki logicznej, ociążlność. 5. Lierur [1] Chwle A, Poniński M, Merologi elekryczn, WNT, Wrszw 2007 [2] Krsiński W, Doświdczeni z podsw echniki cyfrowej. Insrukcj dydkyczn modułowego zeswu elemenów logicznych UNILOG-2, Wrszw 1986 [3] Scewicz T, Koliński W, Elekronik w lororium nukowym, PWN, Wrszw Wyposżenie snowisk lororyjnego Zesw elemenów logicznych UNILOG-2 Wolomierz npięci słego, Oscyloskop dwuknłowy Oprcowł: mgr inż. Be Krzywźni Insyu Inżynierii Biomedycznej i Pomirowej Wydziłu PPT Poliechniki Wrocłwskiej *) N N przerzunikch możn zudowć licznik inrny o pojemności do 2 N, licz zlicznych impulsów zwier się od 0 do 2 N 1. **)Do zpisni jednego 8 iowego słow 1 ju porze 8 przerzuników. Sąd licz wymgnych przerzuników do zpisni informcji równej: 1 kb =1024*8 = 8192, 1 MB = 1024 (1024 8) = przerzuników. Sron 5z5