PRZERZUTNIKI CYFROWE BISTABILNE I MONOSTABILNE 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest eksperymentalne zilustrowanie sposobu działania i rodzajów pracy scalonych przerzutników TTL w układach cyfrowych. 2. WSTĘP W ćwiczeniu badane są elementarne przerzutniki bi- i monostabilne, wykonywane w postaci układów scalonych serii TTL, stosowane w układach i systemach cyfrowych. Pierwsza część ćwiczenia polega na obserwacji reakcji badanych przerzutników bistabilnych na różne kombinacje sygnałów wejściowych, określaniu tablic stanów logicznych tych układów, a także zaobserwowaniu wpływu impulsów zakłócających oraz efektu zliczania impulsów. W tej części ćwiczenia badane są przerzutniki asynchroniczne rs (tranzystorowy i z bramek logicznych)oraz synchronicznych RS, JK,T i D również w wersji rmaster-slave. W drugiej części ćwiczenia badane są właściwości podwójnego przerzutnika monostabilnego (układu czasowego) z serii TTL typu 74123, głównie z punktu widzenia różnych możliwych rodzajów wyzwalania (ang. retriggerable mode) oraz w pracy astabilnej. W ćwiczeniu przewidziano również badanie tranzystorowego przerzutnika monostabilnego w układzie Eccles-Jordana. 3. OPIS TECHNICZNY BADANYCH.UKŁADÓW 3.1. Układy przerzutników bistabilnych (wkładka DN111A) Wkładka DN111A przedstawiona na Rys.1, zawiera sześć niezależnych badanych układów przerzutnikowych: a) asynchroniczny tranzystorowy przerzutnik rs w układzie Eccles-Jordana, b) asynchroniczny przerzutnik rs złożony z bramek TTL NOR, c) quasi-synchroniczny (kluczowany) przerzutnik RS z bramek TTL NAND, d) scalony synchroniczny przerzutnik JK-MS (master-slave), e) scalony synchroniczny (wyzwalany zboczem) przerzutnik D, f) scalony przerzutnik T na bazie przerzutnika D. Wskaźnikami stanu przerzutników są diody elektroluminescencyjne o barwie czerwonej, przy czym stanowi wysokiemu wyjścia odpowiada świecenie diody. Poziomy wejściowe przerzutników sr, SR, JK, D wymusza się przez podanie na odpowiednie wejścia napięć z generatora stanów logicznych SN1211, natomiast impulsy zegarowe na wejście clock z generatora SN3311. Impulsy te mogą być generowane pojedynczo (wyzwalane ręcznie) lub w sposób ciągły. W tym drugim przypadku obserwacji przebiegów wyjściowych dokonuje się na ekranie oscyloskopu. Na płycie czołowej wkładki DN111A(Rys.2a) znajduje się przycisk clear do ręcznego kasowania przerzutników JK i D. Rozmieszczenie diod wskaźnikowych na poszczególnych wkładkach zilustrowano na Rys. 3. 3.2. Układy przerzutników monostabilnych (wkładka DN111B) Wkładka DN111B (Rys. 4) zawiera trzy układy przerzutników monostabilnych: dwa elementarne quasisymetryczne w układzie Eccles-Jordana, różniące się głównie sposobem obserwacji działania i wyzwalania i w związku z tym czasem trwania generowanego impulsu oraz podwójny scalony przerzutnik monostabilny typu 74123 wchodzący w skład rodziny układów scalonych TTL. Przerzutnik scalony może być wyzwalany za pośrednictwem trzech różnychh wejść A, B i R a także przez kaskadowe połączenie obu składowych układów monostabilnych może pracować w sposób astabilny. Wyboru rodzaju pracy dokonuje się za pomocą przełącznika klawiszowego, umieszczonego na płycie czołowej (Rys.2.b).
Rys.1 Schemat ideowy wkładki DN111A DN 111A DN 111B D 1 D 2 US 1 US 1 clock S one shot T1 T 2 7402 D 3 D 4 7400 D 5 D 6 R outputs US 3 D 7 US 4 D 9 Tr 7472 D 8 7474 D 10 outputs J A B clear K R Ast trig inputs D 1 D 2 T 1 T 2 JK, D D US 1 C 1 C 2 74123 T 3 B2 T 4 Rys.2 Płyty czołowe wkładek DN111A oraz DN111B Rys.3. Uproszczone schematy montażowe płytek drukowanych wkładek DN111A oraz DN111B
. Rys. 4. Schemat ideowy wkładki DN111B 4. WYKAZ WKŁADEK POMOCNICZYCH Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące wkładki pomocnicze: generator stanów logicznych TTL dwuwyjściowy SN1211 generator impulsów zegarowych SN3311 generator par impulsów SN3411 przełącznik czterokanałowy DC SA4022 sonda do oscyloskopu.
5. OPIS TECHNICZNYWKŁADEK POMOCNICZYCH 5.1. Generator impulsów zegarowych TTL SN3311 Generator impulsów zegarowych TTL SN3311 jest uniwersalnym laboratoryjnym źródłem impulsów zegarowych do synchronicznych układów cyfrowych TTL. Generator ten może generować impulsy zegarowe pojedyncze, inicjowane przez ręczne wciskanie klawisza "clock" (Rys 2) lub pracować samobieżnie z częstotliwością rzędu kiloherców (pozycja "auto" przełącznika rodzaju pracy). Dla umożliwienia obserwacji na ekranie oscyloskopu pracy układów cyfrowych w czasie wielokrotnie większym Rys.5. Schemat ideowy generatora impulsów zegarowych TTL SN3311 Rys. 6. Płyta czołowa generatora impulsów zegarowych TTL SN3311 od okresu impulsów zegarowych, generator SN3311 został wyposażony w układ licznikowy, zmniejszający szesnastokrotnie częstotliwość impulsów wyzwalających. Dane techniczne Parametry przebiegu wyjściowego standard TTL Obciążalność wyjścia 30 Amplituda impulsów wyzwalających > 2 V Maksymalny pobór prądu z zasilacza +5 V 70 ma Opis schematu ideowego i zasady działania układu: Generator impulsów zegarowych TTL SN3311 C rys.2.32) składa się z przerzutnika bistabilnego RS bramki (B1 i B2), generującego impulsy wyzwalane ręcznie, przerzutnika bistabilnego B5-, B6, B7), generującego impulsy przy pracy samobieżnej, bramki kluczującej B3 licznika binarnego modulo 16 (US3) oraz wzmacniacza wyjściowego (B4) i wzmacniacza kształtującego impulsy wyzwalające (.B8). Układ przerzutnika B1, B2 eliminuje ewentualne drgania zestyków przełącznika "clock" i standaryzuje impulsy zegarowe wyzwalane ręcznie. Impulsy te mogą przedostać się na wyjście tylko wtedy, gdy wejście sterujące bramki B3 nie jest uziemione przełącznikiem "auto", który jednocześnie wyłącza w tym przypadku przerzutnik astabilny B5, B6, B7, wymuszając stan wysoki na wyjściach bramek B6 i B7 Gdy przełącznik rodzaju pracy spoczywa w pozycji "aut", droga dla impulsów wyzwalanych ręcznie jest zamknięta. Pracuje natomiast prze- rzutnik astabilny wysterowując bramkę B4 oraz licznik 7493, którego przebieg Wyjściowy o szesnastokrotnie mniejszej częstotliwości niż częstotliwość impulsów zegarowych jest różniczkowany w obwodzie R5, C2 i kształtowany w bramce B8 do postaci impulsów szpilkowych.
5.2 Generator par impulsów SN3411 Generator par impulsów SN3411 wytwarza przebieg impulsowy, w którym z częstotliwością rzędu kilkuset Hz powtarzana jest sekwencja dwu identycznych impulsów prostokątnych, przy czym drugi z nich może być opóźniany względem pierwszego o czas, regulowany w stosunkowo szerokim zakresie. Generator SN3411 przeznaczony Jest do badania układów przerzutnikowych, zwłaszcza monoslabilnych scalonych, pracujących z podtrzymaniem generacji impulsu. Przebieg wyjściowy może mieć polaryzację dodatnią lub ujemną - w zależności od tego, z jakiego gniazda wyjściowego sygnał jest pobierany (.por, rys. 2.33). Do regulacji opóźnienia miedzy impulsami służy pokrętle "delay", znajdujące się na płycie czołowej przyrządu. Dane techniczne Czas trwania impulsów 10 µs Zakres regulacji opóźnienia 3-150 µs Pozostałe parametry impulsów standard TTL Polaryzacja przebiegu wyjściowego + lub - Maksymalny pobór prądu z zasilacza +15 V 5 ma Opis schematu ideowego i. zasady działania układu Rys.8. Schemat ideowy czterokanałowego przełącznika dc SA4022 Rys.9. Płyta czołowa czterokanałowego przełącznika dc SA4022 Rys.7. Płyta czołowa generatora par impulsów SN3411 Generator SN3411 składa się z przerzutnika astabllnego, determinującego. częstotliwość powtarzania sckwcncj1 impulsów, dwóch układów opóźniających, dwóch przerzutników monostabilnych wytwarzających impulsy wyjściowe oraz wyjściowego układu sumującego. Schemat ideowy generatora SN3411 oraz niektóre idealizowane przebiegi czasowe przedstawiono na rys. 2.34.. Przerzutnik astabilny z tranzystorami T1 i T2, pracuje w tzw. układzie z przełączaną asymptotą. Przebieg prostokątny z tego przerzutnika jest wykorzystywany trojako. Po pierwsze - dla wytworzenia impulsów wyzwalających podstawę czasu oscyloskopu (B1). Po drugie, po nieznacznym (~1 µs) opóźnieniu w układzie nieregeneracyjnym, całkująco-ksztaltującym z bramkami B2, B3 i B4 wyzwala drugi przerzutnik monostabilny układu scalonego US3, powodując generację pierwszego z pary impulsów wyjściowych. Po trzecie wreszcie służy do wyzwalania regulowanego regeneracyjnego układu opóźniającego (T3 - T6), pracującego w układzie przerzutnika symetrycznego z tranzystorami przeciw- stawnymi pnp - npn. Przebieg prostokątny z tego układu wyzwala pierwszy przerzutnik monoslabilny układu scalonego US3, powodując generację drugiego impulsu sekwencji wyjściowej. Oba impulsy są sumowane za pomocą bramki NAND (B5) i odwracane w kolejnej bramce (B6). 5.3. Przełącznik czterokanałowy dc SA4022 Przełącznik SA4022 służy do zwielokrotniania torów pomiarowych przez przyłączanie jednego lub dwóch przyrządów pomiarowych do czterech różnych punktów pomiarowych. Podobnie jak wkładka SA4011, przełącznik ten przeznaczony jest do pracy w torach pomiarowych prądu stałego. Wyboru kanału dokonuje się przez wciśnięcie klawisza oznaczonego tą samą literą, co wybierane gniazdo wejściowe (jedno z czterech oznaczonych "inputs", Rys.9). Wyjście przełącznika SA4022 stanowią dwa równolegle połączone gniazda prądu stałego (ozn. "outputs") - do każdego kanału pomiarowego można więc dołączyć jednocześnie dwa przyrządy lub wkładki pomiarowe wkładki pomocnicze. Należy pamiętać, że do gniazd tych nie wolno dołączać źródeł sygnału i zasilających, ponieważ zwieranie ich wyjść może być przyczyną uszkodzenia tych przyrządów.
6. ZAGADNIENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE. 1. Określić czasy trwania T 1 i T 2 impulsów generowanych w obu przerzutnikach monostabilnych układu 74123 na podstawie danych katalogowych oraz wartości elementów podanych na schemacie 4c. 2. Zaprojektować szczegółowo parametry przebiegu wyjściowego generatora par impulsów do eksperymentów ilustrujących sposoby wyzwalania przerzutnika monostabilnego 74123. 3. Opracować i narysować w protokole schematy pomiarowe do wszystkich eksperymentów omawianych w p.7. 7. OBSERWACJE I POMIARY 7.1. Określanie tablicy stanów przerzutników bistabilnych 1 Podając różne kombinacje poziomów logicznych na wejścia informacyjne, określić tablice stanów badanych w ćwiczeniu przerzutników rs, RS, JK i D. Należy również podać, w jakim momencie względem zboczy sygnałów informacyjnych lub sygnału zegarowego zostaje zapisana informacja w badanym przerzutniku, tzn. jakim zboczem są wyzwalane przerzutniki synchroniczne. Wejścia informacyjne należy wysterować z generatora stanów logicznych SN1211, zaś na wejście zegarowe podawać sygnał z generatora SN3311 wyzwalanego ręcznie. 2 Sformułować krótko zasadniczą różnicę między przerzutnikami z Rys.1b i 1c i podać wynikające z tej różnicy konsekwencje w zastosowaniach. 3 Podać, w jakim przedziale czasu można wprowadzić informację do badanego przerzutnika JK, w jakim zaś do badanego przerzutnika D. Sprawdzić odpowiedź empirycznie. 7.2. Badanie wpływu zakłóceń na pracę przerzutników synchronicznych 1 Sprawdzić, czy chwilowa zmiana sygnału (sygnałów) informacyjnych na wejściach przerzutników JK oraz D w czasie trwania impulsu zegarowego powoduje zmianę zapisywanej informacji. Prób należy dokonać dla wszystkich możliwych kombinacji sygnałów wejściowych. 2 Wyjaśnić przyczynę zaobserwowanych efektów; 3 Podać, czym się różnią badane przerzutniki JK i D pod względem chwili wpisywania informacji oraz chwili pojawiania się wpisanej informacji na wyjściu przerzutnika ( jakim są wyzwalane zboczem). 7.3. Obserwacja efektu zliczania impulsów w przerzutnikach synchronicznych 1 Podając odpowiednie stany logiczne na wejścia JK, zaobserwować efekt zliczania modulo 2 impulsów zegarowych w przerzutniku 7472. 2 Podobnych obserwacji należy dokonać na wyjściu przerzutnika D. 3 Przebiegi wejściowe i wyjściowe oglądać jednocześnie na oscyloskopie, przy czym należy pamiętać o wyzwalaniu podstawy czasu oscyloskopu z generatora SN3311. 4 Zbadać działanie przerzutnika T (Rys.1f) 7.4. Badanie rodzajów pracy przerzutnika 74123 1 Sprawdzić na oscyloskopie działanie generatora SN3411 2 Wykorzystując możliwości generatora par impulsów SN3411 oraz wkładki DN111B, uzyskać następujące rodzaje pracy przerzutnika monostabilnego 74123: a) generacja impulsu o czasie trwania T 1 obliczonym w punkcie podrozdziału 4, przy wyzwalaniu kolejno na wejściu A, B i R; b) generacja impulsu o czasie trwania 1,5T 1 przy wyzwalaniu parą impulsów kolejno na wejściach A i B; c) generacja impulsu o czasie trwania 0,5T 1. 3 We wszystkich przypadkach dokonać obserwacji przebiegów: wejściowego i wyjściowego na ekranie oscyloskopu. Podstawę czasu oscyloskopu wyzwalać zewnętrznie.
8. SPRAWOZDANIE Sporządzić sprawozdanie zawierające schematy pomiarowe, wyniki pomiarów, analizę uzyskanych rezultatów, z uwzględnieniem wszystkich punktów pomiarowych oraz wnioski i spostrzeżenia. 9. LITERATURA [1] Filipkowski A. Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. [2] Baranowski J. Półprzewodnikowe układy impulsowe i cyfrowe. [3] Pieńkoś J., Turczyński J. Układy scalone TTL w systemach cyfrowych. [4] Łakomy M., Zabrodzki J. Cyfrowe układy scalone.