WFiIS LABORATORIUM Z ELEKTRONIKI Imię i nazwisko: 1. 2. TEMAT: ROK GRUPA ZESPÓŁ NR ĆWICZENIA Data wykonania: Data oddania: Zwrot do poprawy: Data oddania: Data zliczenia: OCENA CEL ĆWICZENIA Ćwiczenie ma na celu poznanie budowy, zasady działania i własności liczników asynchronicznych budowanych w oparciu o przerzutniki JK Master-Slave, oraz zasady działania i podstawowych własności liczników scalonych 7492 i 7493. WSTĘP TEORETYCZNY Pierwszą część laboratorium opisano w tym rozdziale, gdyż dobrze ilustruje ona zasadę działania i właściwości przerzutników JK. Zbadano poprawność działania przerzutnika JK typu SN7473 sprawdzając jego stany otrzymane na wyjściach i przy odpowiednim ustawieniu stanów na wejściach J i K. W tym celu układ zapięto w następujący sposób: Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 1
Aby przerzutnik działał poprawnie to wszystkie jego stany wyjściowe muszą się pokrywać z wynikami przedstawionymi w tabeli poniżej: J K 0 0 n + 1 n 0 1 0 1 0 1 1 1 n Każdy z czterech stanów wyjściowych ma odmienna nazwę, a co za tym idzie i funkcje: jeżeli podamy na wejścia J i K same zera to przerzutnik będzie w stanie HOLD, czyli będzie cały czas przerzucał stan poprzedni, dlatego mamy ; jeżeli na wejście J podamy stan niski, a na K stan wysoki to otrzymujemy funkcję RESET czyli na wyjściu otrzymujemy stan niski; jeżeli podamy stany niski i wysoki odwrotnie od poprzedniej sytuacji, to otrzymamy funkcję SET, czyli stan wysoki na wyjściu; jeżeli na wejścia J, K podamy same jedynki to przerzutnik będzie przerzucał stany przeciwne do, czyli na wyjściu mamy ; Stany na wyjściu pojawiają się w ściśle określonym czasie, ponieważ zmiana może nastąpić dopiero, gdy sygnał zegara jest w zakresie swojego zbocza opadającego, wynika to z budowy przerzutników, których używano na ćwiczeniach. Są one zbudowane w konfiguracji Master-Slave. Oznacza to, że przerzutnik pracuje w systemie dwutaktowym. Najpierw w reakcji na narastające zbocze zegara wiadomość jest podawana do części Master przerzutnika, a potem, w takcie drugim, w odpowiedzi na opadające zbocze impulsu, informacja ta jest przepisywana do przerzutnika drugiego Slave. Poniższy rysunek obrazuje sposób działania przerzutnika: Efektem pracy przerzutnika, na którego wejścia J i K, a także na wejście CLR podjemy stan wysoki jest wykres wyjścia : Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 2
Badając wartości napięć na wyjściach (dla wszystkich kombinacji wartości J, K) otrzymano następujące wyniki : J K 1 1 103,6mV 3,8V 0 1 3,77V 93,3mV 1 0 3,71V 104,9mV 0 0 3,78V 93,4mV OPRACOWANIE POMIARÓW 1.1. Badano działanie dwubitowego asynchronicznego licznika binarnego (często nazywany także licznikiem modulo 4). Stan drugiego przerzutnika może się zmienić tylko wtedy, gdy zmieni się stan przerzutnika pierwszego. Czas propagacji takiego licznika jest sumą opóźnień użytych przerzutników. W ćwiczeniu wykorzystano dwa przerzutniki (układ SN7473). Licznik asynchroniczny to taki licznik, w skład którego wchodzi kilka przerzutników (minimum 2), sygnał zegarowy podajemy tylko na jedno (pierwsze) wejście CLK. Kolejne przerzutniki włączają się dopiero po wymuszeniu, które pochodzi od poprzedniego przerzutnika. Takie liczniki charakteryzują się sumowaniem czasów propagacji przez przerzutnik. Jest to poważną wadą dla układów, które posiadają wiele przerzutników, a na ich wejście podawany jest szybki sygnał, w takich licznikach mogą pojawiać się błędy spowodowane przez opóźnienia spowodowane przez czasy propagacji. Dlatego istnieje drugi typ liczników synchroniczne (maja także pewne wady, ale wyeliminowano w tych licznikach błędy wynikające z sumowania czasów propagacji) Układ poglądowy używany w ćwiczeniu przedstawiono poniżej: Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 3
Badano stan wyjść A i B, które tworzyły słowo dwubitowe. Do wejść J i K przyłożono jedynkę logiczną (stan H). Na poniższym wykresie widać stan licznika po kolejnych impulsach: Liczba możliwych kombinacji stanów wyjściowych wynosi cztery. Po czterech impulsach licznik powraca do stanu początkowego. Przedstawiono to za pomocą grafu (jak i na powyższym wykresie): Tablica stanów: numer impulsu A B stan w systemie dziesiętnym 1 0 0 0 2 1 0 1 3 0 1 2 4 1 1 3 5 0 0 0 6 1 0 1 Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 4
1.2. Następnie do powyższego układu dodano układ UCY7400 i badano w jakim kodzie pracuje taki układ z wyjściem ABCD. Poniższy rysunek poglądowo ilustruje badany układ: Poniższy wykres przedstawia obraz z oscyloskopu dla wyjść ABCD. Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 5
2.1. Kolejną częścią laboratorium było zaprojektowanie licznika asynchronicznego modulo 3. Licznik ten wykorzystuje jedynie 3 możliwe stany z 4 dostępnych, dlatego można za pomocą licznika modulo 4 i odpowiedniej bramki tak ustawić liczbę stanów wyjściowych, aby liczył do 3, a nie do 4. Najprostszym rozwiązaniem będzie sprawienie, aby licznik liczył po kolei, tzn. 00 01 10 i przy stanie 11 zamieniał go na stan 00. Możemy to osiągnąć za pomocą odpowiednio włączonej bramki NAND, która dla stanu 11 przyjmuje na wyjściu stan 0. Wyjście bramki należy teraz podać na wejście CLR co spowoduje wykasowanie przerzutników i rozpoczęcie liczenia od nowa. Poniżej znajduje się schemat układu wykorzystanego w pomiarach: Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 6
Poniżej przedstawiono wykres z oscyloskopu dla rozpatrywanego układu: Liczba możliwych kombinacji stanów wyjściowych wynosi 3. Po trzecim impulsie licznik powraca do stanu początkowego. Przedstawiono to za pomocą grafu (jak i na powyższym wykresie): Tablica stanów: numer impulsu A B stan w systemie dziesiętnym 1 0 0 0 2 1 0 1 3 0 1 2 4 0 0 0 5 1 0 1 Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 7
Na oscyloskopie można zauważyć na wyjściu A szpilki w czasie kiedy na przebiegu czasu jest zbocze opadającym, wynikają one z sumowania się czasów propagacji przez dołączoną do układu bramkę, czasów dotarcia impulsu do bramki oraz z bramki do przerzutnika, a także czasy wyzerowania licznika. Efekt taki jest nie pożądany. Dlatego też lepszym rozwiązaniem jest korzystanie z liczników synchronicznych, które to zostaną omówione w następnym punkcie. Zmierzono czas propagacji, który wyniósł Tp = 36ns. Jest to czas potrzebny na ustalenie się stanów wszystkich wyjść. W praktyce czas ten wyraża się wzorem: Tp = ntp gdzie t p jest czasem propagacji pojedynczego przerzutnika, a n jest liczbą przerzutników w układzie. Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 8
2.2. W tym punkcie omówiono licznik synchroniczny modulo 3. Aby poprawnie skonstruować układ użyto tabeli przedstawionej poniżej. Dzięki niej wyznaczono stany wejść J i K. 2J 2K 1J 1K B A 0 x 1 x 0 0 1 x x 1 0 1 x x 0 x 1 0 0 x 1 x 0 0 Z tabeli wynika, że: na wejście 2J możemy podąć sygnał z A ; na wejście 1J możemy podąć sygnał z B ; na wejście 2K i 1K stan wysoki; Dodatkowo na wejścia CR 1 i CR 2 podaje stan wysoki, a na wejścia CK 1 i CK 2 ten sam sygnał wejściowy. Poniżej przedstawiono schemat zbudowanego układu: Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 9
Na poniższych rysunkach przedstawiono i porównano liczniki modulo 3 synchroniczny i asynchroniczny. licznik modulo 3 synchroniczny licznik modulo 3 asynchroniczny Warto zauważyć, że w liczniku synchronicznym nie występuje szpilka, o której wspominano w poprzednim punkcie. Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 10
3. W tej części należało zbadać układ, który został przedstawiony poglądowo na poniższym rysunku: Układ wykorzystany do pomiarów wygląda następująco: Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 11
Poniżej przedstawiono przebieg stanów odczytany dla tego układu z oscyloskopu: Graf przejść dobrze ilustruje przebieg stanów w tym układzie: Układ ten jest licznikiem synchronicznym modulo 3. Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 12
4. W tym punkcie przedstawiono poglądowe schematy liczników: - asynchroniczny modulo 6: Do budowy tego układu należy użyć trzech przerzutników, a cykl pracy licznika szeregowego należy skrócić o dwa stany. Po zliczeniu sześciu impulsów ma nastąpić powrót do warunku początkowego 2 1 0 = 000. Pracę takiego licznika można zilustrować następującą sekwencją (tablicą stanów): X 2 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 2 0 1 0 3 0 1 1 4 1 0 0 5 1 0 1 6 1 1 0 7 1 1 1 8 0 0 0 Pozycja X oznacza numer kolejnego impulsu zliczanego. Po wprowadzeniu sześciu impulsów licznik zostaje wyzerowany, zanim pojawi się impuls siódmy. Wartości 2 1 = 11 powinny wyzerować licznik. - asynchroniczny modulo 7: Poniżej przedstawiono poglądowy schemat układu. Dla stanu 111 A B C = następuje zerowanie licznika i powrót do stanu zerowego. Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 13
WNIOSKI Na laboratoriach zapoznaliśmy się z pracą przerzutników. Zbudowaliśmy z nich kilka różnych liczników, zliczających do wartości parzystych jak i nieparzystych. Poznaliśmy dwa podstawowe typy liczników synchroniczne i asynchroniczne. Na podstawie pomiarów możemy stwierdzić, że liczniki synchroniczne są lepsze do dokładnego zliczania impulsów, zwłaszcza w układach liczących do dużych sum ponieważ nie występują na nich błędy wynikające z sumowania się czasów propagacji. Z drugiej jednak strony budowa liczników synchronicznych liczących do dużych wartości jest bardziej skomplikowana, dlatego też stosuje się połączenia liczników synchronicznych i asynchronicznych tak, aby wykorzystać zalety każdego z nich. LITERATURA [1] Urlich Tietze, Christoph Schenk Układy półprzewodnikowe [2] Zbigniew Kulka, Michał Nadachowski Liniowe układy scalone i ich zastosowanie Przerzutniki JK-MS Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 14