Statyczne badanie przerzutników - ćwiczenie 2

Transkrypt

1 Statyczne badanie przerzutników - ćwiczenie 2. Cel wiczenia Zapoznanie si z podstawowymi strukturami przerzutników w wersji TTL realizowanymi przy wykorzystaniu bramek logicznych NAND oraz NOR. 2. Wykaz przyrz dów: zasilacz stabilizowany, woltomierz cyfrowy i / lub tester stanów logicznych, płytka monta owa do badania układów scalonych. 3. Przedmiot bada o Przerzutnik asynchroniczny typu RS, o przerzutnik synchroniczny typu RS o przerzutnik synchroniczny typu D o przerzutnik synchroniczny typu JK zbudowane przy wykorzystaniu bramek NAND (UCY-74) i NOR (UCY-742) umieszczonych na płytce monta owej (rysunek ) U CC GND D D2 D3 D4 GND U CC GND Rys.. Płytka monta owa do badania układów scalonych

2 s 4. Wprowadzenie teoretyczne W wiczeniu pierwszym pt. Badanie funktorów logicznych TTL zajmowali my si układami kombinacyjnymi - to znaczy takimi, w których stan sygnałów wyj ciowych zale y w ka dej chwili wył cznie bie cego stanu sygnałów wej ciowych. Natomiast przerzutniki elementami zaliczanymi do grupy układów sekwencyjnych. W układach sekwencyjnych stan na wyj ciu układu jest funkcj stanów wej ciowych oraz stanów na wyj ciu układu w poprzednich chwilach czasowych. W układach tych oprócz elementów logicznych (kombinacyjnych) wyst puj elementy pami ciowe. W zale no ci od trybu pracy układy sekwencyjne mo emy podzieli na asynchroniczne i synchroniczne. Układ asynchroniczny zmienia swój stan wyj bezpo rednio po zmianie stanu wej. W układach synchronicznych zmiana stanu wyj odbywa si w chwilach wyznaczonych zmian sygnału synchronizuj cego. Podział układów cyfrowych przedstawiono na rysunku 2. Układy Cyfrowe Układy Kombinacyjne Układy Sekwencyjne Asynchroniczne Synchroniczne Rys. 2. Podział układów cyfrowych Podstawowym elementem sekwencyjnym, który zapami tuje jeden bit informacji jest układ nazywany przerzutnikiem. Przerzutnik jest układem o co najmniej dwóch wej ciach i z reguły dwóch wyj ciach. Wej cia mog by: zegarowe (ang. Clock), zwane inaczej synchronizuj cymi albo wyzwalaj cymi, informacyjne, programuj ce. Je li przerzutnik ma wej cie synchronizuj ce, to jest nazywany przerzutnikiem synchronicznym, natomiast je li nie ma takiego wej cia przerzutnikiem asynchronicznym. Przerzutnik synchroniczny reaguje na informacj podawan na wej cia informacyjne tylko w obecno ci impulsu zegarowego. Przerzutnik mo e by wyposa ony w dwa wej cia programuj ce: ustawiaj ce S (ang. Set) i zeruj ce R (ang. Reset) nazywane równie s s Preset i Clear. Wej cia programuj ce zawsze wej ciami asynchronicznymi (niezale ne od sygnału zegarowego). Istnieje wiele typów przerzutników. Podstawowe to: RS, D i JK. Działanie logiczne przerzutników najcz ciej obrazuje si za pomoc s tablicy stanów, w której przedstawione stany na wej ciach informacyjnych układu oraz odpowiadaj ce im stany na wyj ciu(ach) układu. Wyj cia przerzutników oznaczane zazwyczaj symbolami i. W tablicy stanów zazwyczaj prezentuje si stan wyj cia pomijaj c wyj cie, które jest jego negacj. Wi kszo przerzutników to przerzutniki synchroniczne. Wyj tek stanowi najprostszy przerzutnik nazywany asynchronicznym przerzutnikiem RS. 2

3 4.. Symbole graficzne przerzutników w wersji TTL Symbole graficzne przerzutników odzwierciedlaj ich struktur s s wewn trzn. Je eli umie cimy wska nik negacji na wej ciu przerzutnika to wej cie jest aktywowane niskim poziomem logicznym (w symbolu graficznym nale y umie ci okr g przed nazw wej cia rys 3.b). Wej cia zegarowe (synchronizuj ce) oznaczone poprzez trójk t równoboczny. Niektóre przerzutniki wyzwalane (aktywowane) przy zmianie sygnału na wej ciu zegarowym; wej cie takie nazywamy wej ciem dynamicznym. Mówimy wówczas o takim przerzutniku, e jest wyzwalany frontem (sygnału zegarowego): narastaj cym, gdy sygnał zmienia si z na opadaj cym, gdy sygnał zmienia si z na Na rysunku 3 zebrano symbole graficzne oznaczaj ce ró ne rodzaje wej przerzutników. a) b) c) d) R R Rys 3. a) wej cie statyczne aktywowane wysokim poziomem logicznym; b) wej cie statyczne aktywowane niskim poziomem logicznym; c) wej cie dynamiczne aktywowane frontem narastaj cym sygnału zegarowego; d) wej cie dynamiczne aktywowane frontem opadaj cym sygnału zegarowego 4.2. Asynchroniczny przerzutnik RS Przerzutnik ten składa si z dwóch odpowiednio poł czonych ze sob bramek. Do budowy tego przerzutnika mo na wykorzysta s bramki NAND lub NOR. Przerzutnik ten ma dwa wej cia informacyjne/programuj ce R i S oraz dwa wyj cia i. Wej cia R i S wej ciami asynchronicznymi tzn. zmiana stanów wej ciowych (chwila n-) powoduje zmian stanów na wyj ciu (chwila n). Czas jaki upływa mi dzy chwil n- i n wynika z czasu propagacji t p. a) b) c) d) Rys. 4. Asynchroniczny przerzutnik RS zbudowany z bramek NOR: a) schemat logiczny; b) symbol graficzny; c) tablica stanów Rysunek 4a przedstawia schemat przerzutnika asynchronicznego RS zbudowanego z bramek NOR. Podanie stanu na jedno z wej informacyjnych (programuj cych) powoduje ustawienie na wyj ciu odpowiadaj cej mu bramki stanu (Suma dwóch sygnałów, z których co najmniej jeden jest równy wynosi a po zanegowaniu daje NOR A + B). Podanie stanu na obydwa wej cia przerzutnika spowodowałoby wyst pienie stanów na obydwu wyj ciach, co jest niezgodne z zało eniem, e w 3

4 Statyczne badanie przerzutników przerzutniku jedno wyj cie jest negacj drugiego. Stan ten jest nazywany stanem niedozwolonym N. Podanie stanu na obydwa wej cia daje mo liwo okre lenia stanu wyj w chwili n-tej wył cznie na podstawie stanu wyj w chwili n-. Jest to stan w którym przerzutnik realizuje funkcj pami tania sygnału poprzedniego. Na rysunkach 4b, 4c i 4d zamieszczono odpowiednio symbol graficzny asynchronicznego przerzutnika RS jego tablic prawdy oraz jej wersj uproszczon. Symbol X oznacza dowolny sygnał Synchroniczny przerzutnik RS Synchroniczny przerzutnik RS ró ni si w swojej budowie od przerzutnika asynchronicznego dodatkowymi dwoma bramkami doł czonymi na wej cia układu. Je eli do budowy przerzutnika wykorzystamy funktory logiczne NOR, pierwsze dwie bramki funkcj pełni negacji, gdy na wej ciu jest utrzymany stan lub na ich wyj ciach utrzymywany jest stan, gdy na wej ciu jest stan. W tym ostatnim przypadku stany na wyj ciach przerzutnika zale e b d od stanu poprzedniego. Przerzutnik ten mo na zbudowa zarówno z bramek NOR, jak i NAND. a) b) c) d) Rys. 5. Synchroniczny przerzutnik RS zbudowany bramek NOR: a) schemat logiczny; b) symbol graficzny; c) tablica stanów; d) uproszczona tablica stanów Rysunek 5a przedstawia schemat przerzutnika synchronicznego RS zbudowanego z bramek NOR. Na rysunkach 5b, 5c i 5d zamieszczono odpowiednio symbol graficzny synchronicznego przerzutnika RS, jego tablic prawdy oraz jej uproszczon wersj. W tablicy na rysunku 5c podkre lono stany stabilne, tzn. nie powoduj ce zmiany stanu wyj cia w chwili n wzgl dem stanu jaki panował w chwili n Synchroniczny przerzutnik D Modyfikuj c synchroniczny przerzutnik RS poprzez dodanie bramki NOT pomi dzy wej cia R i S otrzymamy przerzutnik typu D. Przerzutnik ten posiada jedno wej cie informacyjne oznaczone liter D. Układ ten (w przypadku przerzutnika zbudowanego z bramek NOR) przepisuje informację z wejścia D na wyjście gdy wejście jest w 4

5 stanie niskim. Je eli na wej cie jest podany prostok tny sygnał zegarowy to przepisanie informacji z wej cia D na wyj cie realizowane jest z opó nieniem jednego impulsu taktuj cego. Nazwa przerzutnika pochodzi od pierwszej litery angielskiego słowa Delay (opó nienie). Budow przerzutnika, symbol graficzny oraz tabel stanów podano na rysunku 6. a) b) c) n- D n- n X n- Rys. 6. Synchroniczny przerzutnik D zbudowany z bramek NOR: a) schemat logiczny; b) symbol graficzny; c) tablica stanów 5. Przebieg wiczenia wykorzystuj c płytk monta ow zbudowa kolejno układy pomiarowe przerzutników według schematów ideowych przedstawionych w podrozdziałach , podł czy wyj cia przerzutnika do diod wskazuj cych poziom logiczny, po sprawdzeniu poprawno ci zmontowanego układu podł czy napi cie zasilania równe +5 V do odpowiednich zacisków wykorzystywanych układów scalonych. W celu wykorzystania diod LED do wskazywania stanów logicznych wyj przerzutników, mas napi cia zasilania poł czy równie z zaciskiem GND znajduj cym si na płytce monta owej, na wej cia przerzutników (A i B) podawa stany logiczne lub zgodnie z tabel prawdy odpowiedni dla danego układu. 5.. Badanie asynchronicznego przerzutnika RS zbudowanego z bramek NAND Na podstawie przeprowadzonych obserwacji wypełni tabel prawdy, a nast pnie jej wersj uproszczon, nada nazw wej ciom badanego przerzutnika (R i S) i oznaczy je na schemacie. Gdy na wej cie R podany jest wysoki poziom logiczny, a na wej cie S niski, wyj cie przerzutnika powinno znajdowa si w stanie niskim. W sytuacji odwrotnej (R =, S = ) wyj cie powinno by ustawione w stanie wysokim. Rozwa y dwa przypadki:. obydwa wej cia w stanie wysokim i stan poprzedni na wyj ciu niski, 2. obydwa wej cia w stanie wysokim i stan poprzedni na wyj ciu równie wysoki. 5

6 5.2. Badanie synchronicznego przerzutnika RS zbudowanego z bramek NAND (A) R (B) S Tablica stanów logicznych (prawdy) Uproszczona tablica stanów logicznych Na podstawie przeprowadzonych obserwacji wypełni tabel prawdy, nada nazw wej ciom badanego przerzutnika (R i S) i oznaczy je na schemacie Zwróci uwag na negacj wej R i S. Gdy na wej cie R podany jest niski poziom logiczny, a na wej cie S wysoki, wyj cie przerzutnika powinno znajdowa si w stanie niskim. W sytuacji odwrotnej (R =, S = ) wyj cie powinno by ustawione w stanie wysokim. Na podstawie sporz dzonej tabeli prawdy wypełni uproszczon tabele stanów logicznych Badanie synchronicznego przerzutnika D zbudowanego z bramek NAND 6

7 Podczas badania przerzutnika D ustawi wyj cie przerzutnika w stanie niskim, nast pnie zablokowa jego wyj cie poprzez zmian na wej ciu sygnału z wysokiego na niski. Zmieni stan na wej ciu D na wysoki, nast pnie na wej ciu wywoła stan wysoki. wiczenie powtórzy przy pocz tkowym ustawieniu wej cia D w stanie wysokim Badanie synchronicznego przerzutnika JK zbudowanego z bramek NAND Na podstawie przeprowadzonych obserwacji wypełni tabel prawdy. Zaproponuj symbol graficzny. 6. Sprawozdanie z przebiegu wiczenia Na podstawie przeprowadzonych pomiarów nale y przygotowa sprawozdanie, które powinno zawiera: zrealizowane na zaj ciach struktury przerzutników wraz z ich tabelami stanów logicznych i symbolami graficznymi oraz wnioski ko cowe. Na schematach strukturalnych przerzutników zrealizowanych na zaj ciach nale y nanie odpowiednie oznaczenia wej (np. S, R) 7