POLITEHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYZNYH LABORATORIUM ELEKTRYZNE Elementy ukłdów tehniki yfrowej (E 10) Oprowł: Dr inż. Włodzimierz OGULEWIZ
3 1. el ćwizeni elem ćwizeni jest poznnie zsd dziłni elementów ukłdów tehniki yfrowej, wykonnyh w tehnologii ukłdów slonyh, orz zdoyie umiejętnośi ih identyfikji. Znjomość elementów umożliwi ćwiząemu wykonnie i przednie kilku prostyh plikji dnyh elementów w różnyh ukłdh. 2. Wprowdzenie System lizeni, w którym przywykliśmy wykonywć wszystkie rhunki, jest systemem dziesiętnym (deymlnym). W systemie tym rozporządzmy dziesięiom różnymi stnmi reprezentownymi yfrmi: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Jest on njrdziej rozpowszehnionym systemem przedstwini liz i dokonywni olizeń nieutomtyznyh. Ntomist z punktu widzeni olizeń wykonywnyh przez mszyny yfrowe szzególnie korzystny jest dwójkowy (inrny) system przedstwini liz reprezentowny dwom stnmi: złązony wyłązony, wysoki poziom npięi H (ng. High) niski poziom npięi L (ng. Low), przedstwiny przewżnie zwyzjowo, hoć niejednoznznie dwom yfrmi: 1 i 0. Niejednoznzność wynik z oznzni symolmi 1 i 0 zrówno prwdy i fłszu w lgerze Boole, jk również stnów logiznyh: 1 stn wysoki npięi, 0 stn niski (hoiż prwdą może yć stn niski 0). Niezleżnie od tego, zy rozptrujemy stykowe zy ezstykowe elementy logizne, to mmy do zynieni z inrnym systemem lizowym i jko zsdę przyjmiemy konwenję logiki dodtniej. Dl urządzeń ezstykowyh umownie przyjmujemy np. poziom npięi liski npięiu zsilni jko jedynkę logizną (stn wysoki) 1, poziom liski msie sygnłowej np. 0 V z zero logizne (stn niski) 0. W ukłdh stykowyh stn zmknięi styków odpowidć ędzie jedyne logiznej, stn otwri styków logiznemu zeru.
4 2.1. Ukłdy yfrowe Ukłd yfrowy (ng. digitl iruit), to rodzj ukłdu elektroniznego, w którym sygnły npięiowe przyjmują tylko określoną lizę poziomów. Njzęśiej liz poziomów npięć jest równ dw, poziomom przypisywne są yfry 0 i 1. Ukłdy yfrowe relizują operje zgodnie z lgerą Boole i z tego powodu nzywne są też ukłdmi logiznymi (ng. logi iruit). Do udowy ukłdów yfrowyh wykorzystuje się rmki logizne tzw. funktory (funktor element relizująy funkję), wykonująe elementrne operje znne z lgery Boole : negję (NOT), ilozyn logizny prosty (AND) lu znegowny (NAND), sumę logizną (OR zy NOR), różnię symetryzną (XOR lu EXOR) itp. Stopień skomplikowni i minituryzj współzesnyh ukłdów elektroniznyh spowodowły, że rmki, przerzutniki orz większe loki funkjonlne do mikroproesor włąznie wykonuje się jko ukłdy slone. Njrdziej rozpowszehnione oenie są dwie tehnologie wykonywni slonyh ukłdów logiznyh: tehnologi TTL (ng. Trnsistor-Trnsistor Logi) rmki ipolrne orz tehnologi MOS (ng. omplementry MOS) rmki unipolrne. 2.2. Funkje logizne. Alger Boole W prktye wielokrotnie zhodzi potrze utworzeni nowyh sygnłów yfrowyh (sygnły wyjśiowe), powiąznyh logiznie z już istniejąymi sygnłmi yfrowymi (sygnły wejśiowe). Powoduje to koniezność skonstruowni ukłdu przetwrzjąego logizne sygnły wejśiowe n wyjśiowe. Ukłdem przetwrzjąym jest ozywiśie yfrowy ukłd logizny. Jeżeli ukłd zwier wyłąznie elementy inrne, to zrówno sygnły wejśiowe, jk i wyjśiowe mogą przyjąć jedną z dwu wrtośi logiznyh. Wrtość logizną sygnłu możn wyrzić z pomoą zmiennej logiznej. Zmienn logizn przyier tylko dwie wrtośi: prwd 1 (element dził) i fłsz 0 (element nie dził). Zmienne logizne oznz się symolmi mtemtyznymi (np. wejśiowe litermi młymi:,,, d...itd., wyjśiowe dużymi: X, Y, Z,..itd.). Związki logizne, zhodząe pomiędzy sygnłmi wejśiowymi i wyjśiowymi, opisuje się z pomoą funkji logiznyh. Funkje te nzywne są również operjmi logiznymi, zy funkjmi oolowskimi. Jeżeli elektryzny sygnł dwustnowy potrktujemy jk zmienną logizną, to dziłnie ukłdów yfrowyh możn
5 przedstwić jko wykonnie operji logiznyh n tyh zmiennyh. Inzej mówią, sygnł wyjśiowy jest funkją sygnłów wejśiowyh w sensie lgery Boole. Podstwowymi operjmi (funkjmi) logiznymi lgery Boole są: Negj (dopełnienie operj jednorgumentow, NOT nie). Sum logizn (lterntyw dziłnie dwurgumentowe + OR lu). Ilozyn logizny (koniunkj dziłnie dwurgumentowe AND i). Dziłni n zmiennyh logiznyh podlegją podstwowym prwom lgery Boole, wynikjąym z definiji tej lgery: + = + prwo przemiennośi dodwni = prwo przemiennośi mnożeni ( + ) + = ( + ) + = ( + ) + prwo łąznośi dodwni ( ) = ( ) = ( ) prwo łąznośi mnożeni ( + ) = + prwo rozdzielnośi mnożeni ( + ) ( + ) = + prwo rozdzielnośi dodwni + = prwo sorpji (reguł sklejni sumy) ( + ) = prwo sorpji (reguł sklejni ilozynu) = 0 + = 1 Korzystją z powyższego, możn wykzć słuszność nstępująyh twierdzeń: + = ; = ; + 0 = ; 1 = ; + 1 = 1; 0 = 0 ; = ; + = + ; + = +. Szzególne znzenie przy przeksztłenih (zwłszz minimlizji) wyrżeń oolowskih mją twierdzeni, zwne prwmi de Morgn. + + = prwo de Morgn dl negji sumy, = + + prwo de Morgn dl negji ilozynu. Opróz podstwowyh funkji logiznyh lgery Boole (sumy OR, ilozynu AND i negji NOT) w zstosownih prktyznyh ogromne znzenie mją: Funkj Sheffer: = + = występują pod nzwą NAND (tk jk i jej funktor rmk). Określenie NAND jest złożeniem wyrzów Not AND. Funkj Piere : = = + występują pod nzwą NOR (tk jk i jej funktor rmk). Określenie NOR jest złożeniem wyrzów Not OR. Zrówno ziór funktorów NAND, jk i NOR pozwl smodzielnie zrelizowć dowolną funkję logizną (system funkjonlnie pełny).
6 Sum modulo 2 (nierównowżność): Å = º = + występują pod nzwą XOR lu EXOR (tk jk i jej funktor rmk). Określenie EXOR jest złożeniem wyrzów EXlusive OR, w skróie XOR. Równowżność: Ä = ( º ) = + = Å występują pod nzwą EXNOR (tk jk i jej funktor rmk). Określenie EXNOR jest złożeniem wyrzów EXlusive Not OR. W posti ukłdu slonego produkown jest również rmk złożon relizują funkję: Y = + d, występują pod nzwą AOI. Określenie AOI jest złożeniem wyrzów AND OR INVERT (Inwerter podzespół elektronizny wykonująy funkję logizną negji NOT). 2.3. Klsyfikj ukłdów yfrowyh Ze względu n sposó przetwrzni informji rozróżni się dwie główne klsy ukłdów logiznyh: ukłdy kominyjne w któryh stn sygnłów wyjśiowyh zleży tylko od stnu sygnłów wejśiowyh (ukłdy ez sprzężeń zwrotnyh), ukłdy sekwenyjne w któryh stn sygnłów wyjśiowyh zleży nie tylko od ieżąyh, lez również od poprzednih wrtośi sygnłów wejśiowyh. Ukłdy sekwenyjne mją włśiwość pmiętni stnów logiznyh (zwierją komórki pmięi przerzutniki). Ukłdy logizne dzielą się również n: synhronizne i synhronizne. Synhronizne zmieniją stny wyjść, zgodnie ze zminą tktu genertor synhronizująego, synhronizne w zsie ieżąym (zleżnym tylko od zsu propgji sygnłu przez ukłd kilk, kilknśie [ns]). 2.3.1. Ukłdy kominyjne Proste kominyjne ukłdy yfrowe nzywne rmkmi (funktormi) relizują funkje logizne jednej lu wielu zmiennyh logiznyh Y = f( 1, 2, 3,... k,... n ). Relizję prktyzną ukłdu kominyjnego przeprowdz się po minimlizji (przewżnie do posti knoniznej) funkji oolowskiej. Minimlizji możn dokonywć różnymi metodmi: lgerizną, funkjonłów, tli (sitek) Krnugh, uine M luskey itp. W tehnie ukłdów slonyh opróz podstwowyh rmek logiznyh (NAND, NOR, NOT, AND, OR, XOR, EXNOR, AOI i wzmnizy yfrowyh) relizowne są również ukłdy spejlizowne:
7 sumtory inrne (ukłdy dodwni liz inrnyh), komprtory yfrowe (ukłdy porównywni dwu liz inrnyh), ukłdy zminy kodów, w tym: dekodery (ukłdy zmienijąe lizę n itową n słowo w kodzie jeden z n {1 z n}), kodery (ukłdy zmienijąe słowo w kodzie jeden z n {1 z n} n słowo w innym kodzie), trnskodery (ukłdy zmienijąe słowo w jednym kodzie n słowo w innym kodzie), multipleksery (ukłdy o 2 n wejśih i jednym wyjśiu orz n wejśih dresowyh), demultipleksery (ukłdy o jednym wejśiu i 2 n wyjśih orz n wejśih dresowyh), progrmowlne struktury logizne (ukłdy PAL i PLA). O ukłdy mją mtrye o progrmowlnyh połązenih. Ukłd PLA (ng. Progrmle Logi Arrys) jest rdziej elstyzny łązeniowo od ukłdów PAL (ng. Progrmle Arry Logi) [3]. 2.3.1.1. Podstwowe rmki logizne Brmk OR jest ukłdem yfrowym o dwu lu większej lizie wejść i relizuje funkje sumy logiznej zmiennyh wejśiowyh. e trójwejśiowej rmki OR orz tlie wrtośi funkji (tlie prwdy) przedstwiono n rysunku 1.1. e stosowne w Unii Europejskiej (UE) są usnkjonowne w Polse normą PN - EN 60617-12. stosowny w USA stosowny w UE stosowny dwniej >1 Y = + + Y = + + Y = + + Y H H H H L H H H H L H H L L H H H H L H L H L H H L L H L L L L Rys. 1.1. e rmki (funktor) OR wrz z tlią wrtośi funkji Brmk AND jest ukłdem yfrowym o dwu lu większej lizie wejść i relizuje funkje ilozynu logiznego zmiennyh wejśiowyh. e
8 trójwejśiowej rmki AND orz tlie wrtośi funkji (tlie prwdy) przedstwiono n rysunku 1.2. stosowny w USA stosowny w UE stosowny dwniej Y = Y = Y = Y H H H H L H H L H L H L L L H L H H L L L H L L H L L L L L L L Rys. 1.2. e rmki (funktor) AND wrz z tlią wrtośi funkji Brmk NOT jest ukłdem yfrowym o jednym wejśiu i relizuje funkje negji zmiennej wejśiowej. e rmki NOT orz tlie wrtośi funkji (tlie prwdy) przedstwiono n rysunku 1.3. stosowny w USA stosowny w UE 1 Y = Y = L H Y H L Rys. 1.3. e rmki (funktor) NOT wrz z tlią wrtośi funkji Brmk NOR jest ukłdem yfrowym o dwu lu większej lizie wejść i relizuje funkje negji sumy zmiennyh wejśiowyh. e trójwejśiowej rmki NOR orz tlie wrtośi funkji (tlie prwdy) przedstwiono n rysunku 1.4. stosowny dwniej stosowny w USA stosowny w UE stosowny dwniej >1 Y = Y = + + Y H H H L L H H L Y = + + H L H L L L H L H H L L L H L L Y = + + H L L L L L L H Rys. 1.4. e rmki (funktor) NOR wrz z tlią wrtośi funkji Brmk NAND jest ukłdem yfrowym o dwu lu większej lizie wejść i relizuje funkje negji ilozynu zmiennyh wejśiowyh. e trójwejśiowej
9 rmki NAND orz tlie wrtośi funkji (tlie prwdy) przedstwiono n rysunku 1.5. stosowny w USA stosowny w UE stosowny dwniej Rys. 1.5. e rmki (funktor) NAND wrz z tlią wrtośi funkji Brmk XOR jest ukłdem yfrowym o dwu wejśih i relizuje funkje nierównowżnośi ( Y = + ) zmiennyh wejśiowyh. e dwuwejśiowej rmki XOR orz tlie wrtośi funkji (tlie prwdy) przedstwiono n rysunku 1.6. Y = Y = Y = Y H H H L L H H H H L H H L L H H H H L H L H L H H L L H L L L H stosowny w USA stosowny w UE =1 Y = + Y = + Y H H L L H H H L H L L L stosowny dwniej e Y = + Rys. 1.6. e rmki (funktor) XOR wrz z tlią wrtośi funkji Brmk EXNOR jest ukłdem yfrowym o dwu wejśih i relizuje funkje równowżnośi ( Y = + ) zmiennyh wejśiowyh. e dwuwejśiowej rmki EXNOR orz tlie wrtośi funkji (tlie prwdy) przedstwiono n rysunku 1.7. stosowny w USA stosowny w UE =1 Y = + Y = + Y H H H L H L H L L L L H stosowny dwniej e Y = + Rys. 1.7. e rmki (funktor) EXNOR wrz z tlią wrtośi funkji
10 Wyjśie (Y) rmki XOR jest w stnie wysokim (H), jeżeli stny wejść (, ) są różne. Dl rmki EXNOR ntomist jest odwrotnie: wyjśie (Y) jest w stnie wysokim (H), jeżeli stny wejść (, ) są tkie sme. Omwine rmki mją duże znzenie prktyzne w ukłdh konwersji kodów, korekji łędów itp. 2.3.2. Ukłdy sekwenyjne Ukłdy sekwenyjne, mjąe włsność pmiętni stnów logiznyh, muszą zwierć elementy pmięi. Rolę elementu pmiętjąego jeden it informji spełni przerzutnik istilny. Jednoześnie sm przerzutnik jest njprostszym ukłdem sekwenyjnym. Njprostsze przerzutniki zrówno synhronizne RS, jk i synhronizne RS-T udowne są z rmek logiznyh NAND lu NOR. Prktyznie jednk wykorzystuje się przede wszystkim przerzutniki synhronizne w posti ukłdów slonyh. W tehnie ukłdów slonyh wytwrzne są przerzutniki wyzwlne poziomem, wyzwlne zozem i dwutktowe typu MS (Mster Slve). Opróz podstwowyh ukłdów przerzutników slonyh typu: RS, RS-T, JK, D, T, JK-MS, D-MS relizowne są również slone sekwenyjne ukłdy funkjonlne: rejestry (równoległe, szeregowe, równoległo-szeregowe, szeregoworównoległe), lizniki (jednokierunkowe, rewersyjne, pierśieniowe), dzielniki zęstotliwośi impulsów (modulo n), pmięi typu RAM. 2.3.2.1. Podstwowe typy przerzutników Przerzutnik RS synhronizny jest njprostszym ukłdem z pmięią i możn go zudowć z dwóh rmek NOR. Przerzutnik m dw wejśi: ksująe R (ng. Reset) oznzne również LR (ng. LeR) i ustwijąe (wpisująe) S (ng. Set) oznzne również PR (ng. PReset) orz dw wyjśi: proste i znegowne. Sygnły R i S nie mogą yć jednoześnie w stnie wysokim H z powodu niejednoznznośi stnu wyjść i. Opis dziłni przerzutnik podwny jest w posti tli dziłni nzywnyh również tlimi przejść, stnów lu prwdy [3]. W tlih dziłni opróz kolumn stnów wejść (np. R i S) występują również kolumny stnów wyjść N i N+1. W kolumnie N wpisne są stny wyjśi przerzutnik przed wystąpieniem zminy sygnłów wejśiowyh dl przerzutnik synhroniznego lu sygnłu tktująego dl przerzutnik synhroniznego.
11 W kolumnie N+1 wpisne są stny wyjśi po zminie sygnłów wejść synhroniznyh lu wejśi tktująego. Ukłd synhroniznego przerzutnik RS wrz z symolem i tlią dziłni przedstwiono n rysunku 1.8. R S >1 >1 R S R S N N+1 Stn N+1 L L L L poprzedni L L H H poprzedni L H L H wysoki L H H H wysoki H L L L niski H L H L niski H H L?(0,0) zroniony H H H?(0,0) zroniony Rys. 1.8. Asynhronizny przerzutnik RS i jego tli dziłni Przerzutnik RS synhronizny oznzny zsem jko RS-T możn zudowć z rmek NAND. W porównniu do poprzednik m dodtkowe wejśie T, zwne wejśiem synhronizująym lu zegrowym (oznzne również, K, L, P lu LK). Sposó dziłni przerzutnik RS-T jest identyzny jk przerzutnik RS, jeżeli wejśie zegrowe T znjduje się w stnie ktywnym (T = 1). Dl stnu T = 0 sygnły wyjśiowe i nie ulegją zminie ez względu n stn wejść informyjnyh R i S. Ukłd synhroniznego przerzutnik RS-T wrz z symolem grfiznym przerzutnik (wykonnego w tehnologii slonej) przedstwiono n rysunku 1.9. S T R S R R S N N+1 Stn N+1 L L L L poprzedni L L H H poprzedni L H L H wysoki L H H H wysoki H L L L niski H L H L niski H H L?(1,1) zroniony H H H?(1,1) zroniony Rys. 1.9. Synhronizny przerzutnik RS-T i jego tli dziłni Przerzutnik JK jest rozwinięiem przerzutnik RS-T i może yć udowny z rmek NAND (rysunek 2.0.) przewżnie jednk występuje jko ukłd slony. Wejśie K odpowid wejśiu R, wejśie J wejśiu S. W odróżnieniu od przerzutnik RS-T sygnły n wejśih K i J mogą yć jednoześnie w stnie wysokim. Jeżeli K = 1 i J = 1, to po przejśiu impulsu tktująego stn wyjść i
12 zmieni się n przeiwny. Przerzutniki JK są przewżnie ukłdmi dwutktowymi określnymi minem MS (Mster Slve), to znzy że zoze nrstjąe sygnłu zegrowego (tktująego) wpisuje informję z wejść J i K do wewnątrz ukłdu (przerzutnik mster), zoze opdjąe wystwi odpowiedź (przerzutnik slve) n wyjśi i. Slone przerzutniki synhronizne JK-MS posidją również tzw. wejśi przygotowująe (progrmująe) R i S ustwijąe ndrzędnie stn wyjść i przerzutnik slve (wejśi R i S dziłją tk jk znegowne wejśi R, S przerzutnik synhroniznego). Funkj logizn przerzutnik JK m postć: = J + K N N. N+ 1 N N J T K mster S slve J K S R R Rys. 2.0. Synhronizny przerzutnik JK-MS i jego symol Tlie dziłni przerzutnik JK-MS przedstwiono n rysunku 2.1. J K N N+1 Stn N+1 L L L L poprzedni L L H H poprzedni H L L H wysoki H L H H wysoki L H L L niski L H H L niski H H L H znegowny H H H L znegowny Rys. 2.1. Tli dziłni synhroniznego przerzutnik JK-MS Przerzutnik typu D może yć udowny z rmek logiznyh, przewżnie jednk występuje jko ukłd slony i jest odminą przerzutnik JK-MS. Przerzutniki typu D służą głównie do udowy różnyh typów rejestrów i pmięi. Relizję
13 przerzutnik D z przerzutnik JK-MS orz telę jego dziłni przedstwiono n rysunku 2.2. 1 J K S R º D S R J=D K N N+1 Stn N+1 H L L H wysoki H L H H wysoki L H L L niski L H H L niski Rys. 2.2. Relizj przerzutnik typu D i jego tli dziłni Przerzutnik typu T występuje jko ukłd slony i jest odminą przerzutnik JK - MS. Przerzutniki typu T służą głównie do udowy dzielników zęstotliwośi impulsów i lizników pmięi. Konwersję przerzutnik JK-MS w przerzutnik D orz telę jego dziłni przedstwiono n rysunku 2.3. J K S R º T S R J=T K N N+1 Stn N+1 L L L L poprzedni L L H H poprzedni H H L H znegowny H H H L znegowny Rys. 2.3. Relizj przerzutnik typu T i jego tli dziłni e grfizne przerzutników (orz rdziej złożonyh ukłdów logiznyh) uwzględniją sposó oddziływni sygnłów wejśiowyh (zwłszz zegrowego) n stn wyjść ukłdu. Oznzeni sposoów wyzwlni (synhronizji) przerzutników przedstwiono n rysunku 2.4. Oddziływnie poziomem. Aktywny stn 1 Oddziływnie poziomem. Aktywny stn 0 Oddziływnie zozem nrstjąym Oddziływnie zozem opdjąym Rys. 2.4. Oznzeni grfizne wejść przerzutników (n przykłdzie wejśi ) Ze slonyh przerzutników synhroniznyh możn tworzyć przerzutniki synhronizne ustwiją wysoki stn wejśi zegrowego lu w przypdku przerzutnik typu T wysoki stn wejść informyjnyh.
14 2.3.2.2. Podstwowe zstosowni przerzutników. Lizniki Liznik to ukłd sekwenyjny, w którym istnieje jednoznzne przyporządkownie lizie wprowdzonyh impulsów stnu zmiennyh wyjśiowyh. Ogólnie liznik zwier pewną lizę N przerzutników odpowiednio ze soą połązonyh. Liz przerzutników określ mksymlną możliwą pojemność liznik równą 2N. Kżdy liznik hrkteryzuje się określoną pojemnośią S, zyli lizą rozróżninyh stnów logiznyh. Po zpełnieniu liznik końzy ykl pry N i przewżnie wr do stnu pozątkowego. Jeśli liznik m S ( S 2 ) wyróżnilnyh stnów, to określ się go jko liznik modulo S (np. liznik modulo 10 jest liznikiem dziesiętnym, tzw. dekdą liząą). Stn wyjść liznik odpowid lizie zliznyh impulsów, wyrżnej w określonym kodzie. Liznik zlizjąy impulsy w nturlnym kodzie dwójkowym jest nzywny liznikiem inrnym (dwójkowym). Lizniki modulo 10 lizą przewżnie w kodzie dwójkowo dziesiętnym BD (ng. Binry oded Deiml). Opróz wejśi impulsów zliznyh, liznik m przewżnie również wejśie zerująe stn liznik i może mieć tkże wejśi ustwijąe stn pozątkowy. Shemt liznik inrnego (modulo16) utworzonego z przerzutników JK przedstwiono n rysunku 2.5. liz zlizonyh impulsów w kodzie dwójkowym 1 A B D impulsy zlizne J S K R J S K R J S K R J S K R przeniesienie zerownie Rys. 2.5. Asynhronizny liznik inrny 2.3.2.3. Podstwowe zstosowni przerzutników. Rejestry Rejestr to ukłd sekwenyjny zudowny z przerzutników, służąy do przehowywni informji zpisnej w posti yfrowej. Informj w wyrnyh hwilh zsu przepisywn jest z wejśi n wyjśie rejestru. W zleżnośi od sposou wprowdzni i wyprowdzni informji rozróżnimy nstępująe typy rejestrów:
15 równoległe (uforowe) PIPO (ng. Prlel In Prlel Out) zpis i odzyt odyw się w sposó równoległy, szeregowe (przesuwjąe) SISO (ng. Seril In Seril Out) zpis i odzyt odyw się w sposó szeregowy, szeregowo równoległe SIPO (ng. Seril In Prlel Out) zpis szeregowy, odzyt równoległy, równoległo szeregowe PISO (ng. Prlel In Seril Out) zpis równoległy, odzyt szeregowy. Shemt rejestru równoległego przedstwiono n rysunku 2.6., rejestru szeregowego n rysunku 2.7. O rejestry utworzono z przerzutników typu D i przedstwiono dl słow zteroitowego. wyjśie równoległe A B D wpis D S D S D S D S zerownie R R R R A B D wejśie równoległe Rys. 2.6. zteroitowy rejestr równoległy (uforowy) wejśie szeregowe H L H H 4 3 2 1 D S R wyjśie szeregowe H L H H D S D S D S R R R zerownie wpis Rys. 2.7. zteroitowy rejestr szeregowy (przesuwjąy)
16 3. Bdni i pomiry 3.1. Opis stnowisk pomirowego Do dń kominyjnyh i sekwenyjnyh elementów ukłdów yfrowyh wykorzystujemy ztery yfrowo nlogowe trenżery typu ETS 7000. Widok jednego stnowisk do dń elementów yfrowyh przedstwiono n rysunku 2.8. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 18 17 16 15 14 13 12 11 10 Rys. 2.8. Trenżer nlogowo-yfrowy typu ETS 7000 Pojedynzy trenżer wyposżony jest w uniwerslną wymienną płytę montżową {16} i zwier: zsilz prądu stłego z możliwośią oddzielnej regulji npięć ujemnyh potenjometrem {2} i dodtnih potenjometrem {3}. Dl npięć ujemnyh w zkresh: 5 V 0 V (300 ma); lu 15 V 0 V (500 ma); orz dl npięć dodtnih 0 V + 5 V (1 A) lu 0 V + 15 V (500 ma), genertor funkyjny z przełąznikiem rodzju funkji {8}, umożliwijąy podnie n wyjśie przeiegu o regulownej {7} wrtośi mplitudy. Dl przeiegu sinusoidlnego w zkresie 0 8 V, dl przeiegu trójkątnego 0 6 V, dl przeiegu prostokątnego 0 8 V. Dl przeiegu nzwnego
17 TTL MODE wrtość mplitudy jest stł i wynosi 5 V. Genertor m pięć ustwinyh przełąznikiem {9} podzkresów zęstotliwośi: 1 Hz 10 Hz; 10 Hz 100 Hz; 100 Hz 1 khz; 1 khz 10 khz; orz 10 khz 100 khz z możliwośią płynnej regulji {6} zęstotliwośi w podzkresh, dw wyświetlze siedmiosegmentowe LED {15}, osiem diod świeąyh w kolorze zerwonym {17}, dw kluze impulsowe {10}, głośnik o moy 0,25 mw i impednji 8 Ω {12}. Pondto, n płyie zołowej znjdują się: wyłąznik zsilni {1}, potenjometr 100 kω o hrkterystye logrytmiznej typu B {4}, potenjometr 1 kω o hrkterystye logrytmiznej typu B {5}, osiem przełązników dwupołożeniowyh kluze dnyh {14}, dw wyjśi n gnizd BN {13}, dw wyjśi n gnizd rdiowe {11}, wyjśiowe złąze uniwerslne {18}. 3.2. Bdni elementów ukłdów yfrowyh. Uwgi ogólne Bdni elementów ukłdów yfrowyh przeprowdz się n stnowisku opisnym w poprzednim punkie (p. 3.1.). Ukłdy slone zwierjąe dne elementy umieszz się w płyie montżowej {16}. Do ukłdów doprowdz się zsilnie, zgodnie z dnymi produent (numer końówki, wrtość npięi, polryzj itp.). Ktlogi ukłdów slonyh dostępne są u prowdząego zjęi. Nstępnie zestwi się ukłd pomirowy, zgodnie z wyznzonym shemtem montżowym. Stny wejśiowe stłonpięiowe zdje się przełąznikmi {14}, stny wyjśiowe zmienne (np. tktująe) kluzmi impulsowymi {10} lu z wyjśi TTL MODE genertor funkyjnego. W elu detekji stnów sygnłów wyjśiowyh do wyjść ukłdu podłąz się w zleżnośi od potrze: diody świeąe {17), wyświetlze siedmiosegmentowe {15}, głośnik {12} lo poprzez wyjśi {13} lu {11} detektor zewnętrzny (np. osyloskop lu woltomierz yfrowy). W rzie potrzey możn również dokonć wizulizji stnów wejśiowyh ukłdu n diodh świeąyh LED {17}.
18 3.3. Wyznzenie wrtośi funkji wyjśiowyh rmek logiznyh 3.3.1. Przeieg ćwizeni 1. Zznjomić się z dnymi ktlogowymi ukłdów slonyh UY7400N, UY7402N, UY7486N, UY7410N, UY7451N lu ih zmiennikmi. 2. Sporządzić shemty montżowe wyrnyh elementów (dl jednej rmki) w elu wyznzeni wrtośi funkji wyjśi (tliy prwdy). 3. Kolejno zmodelowć ukłdy n stnowisku ETS 7000. 4. Wypełnić tlie prwdy zgodnie z przedstwioną telą 1.1. Tel 1.1 Stny wejść Stny wyjść Lp. UY7400 UY7402 UY7486 UY7410 UY7451 d Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 1. 0 0 0 0 2. 0 0 0 1 3. 0 0 1 0 4. 0 0 1 1 5. 0 1 0 0 Xxxx Xxxx Xxxx 6. 0 1 0 1 Xxxx Xxxx Xxxx 7. 0 1 1 0 Xxxx Xxxx Xxxx 8. 0 1 1 1 Xxxx Xxxx Xxxx 9. 1 0 0 0 Xxxx Xxxx Xxxx xxxx 10. 1 0 0 1 Xxxx Xxxx Xxxx Xxxx 11. 1 0 1 0 Xxxx Xxxx Xxxx Xxxx 12. 1 0 1 1 Xxxx Xxxx Xxxx Xxxx 13. 1 1 0 0 Xxxx Xxxx Xxxx Xxxx 14. 1 1 0 1 Xxxx Xxxx Xxxx Xxxx 15. 1 1 1 0 Xxxx Xxxx Xxxx Xxxx 16. 1 1 1 1 Xxxx Xxxx Xxxx Xxxx 5. Nrysowć relizję funkji Y = + n rmkh NOR lu NAND (wyoru dokon prowdząy), zmodelowć ukłd n trenżerze i sprwdzić prktyznie dziłnie ukłdu (tlie prwdy). 3.4. Wyznzenie wrtośi funkji dziłni przerzutników 3.4.1. Przeieg ćwizeni 1. Zznjomić się z dnymi ktlogowymi ukłdów slonyh UY74107N, UY7493N, UY7474N, UY7475N, UY7490N lu ih zmiennikmi.
19 2. Sporządzić shemty montżowe jednego przerzutnik JK-MS (UY74107) orz jednego przerzutnik typu D (UY7474) w elu wyznzeni wrtośi ih funkji dziłni (tliy prwdy). 3. Kolejno zmodelowć ukłdy n stnowisku ETS 7000. 4. Wypełnić tlie dziłni przerzutników zgodnie z telą 1.2. Stn wyjśi przerzutnik określ się po przejśiu impulsu tktująego podnego z kluz impulsowego {10}. Stn pozątkowy n wyjśiu przerzutnik ustwimy korzystją z wejśi synhroniznego R. Lp. Przerzutnik JK-MS (UY74107) Przerzutnik D (UY7474) Tel 1.2 J K N N+1 D N N+1 1. 0 0 0 0 0 2. 0 1 0 1 0 3. 1 0 0 0 1 4. 1 1 0 1 1 5. 0 0 1 Xxxx Xxxx xxxx 6. 0 1 1 Xxxx Xxxx Xxxx 7. 1 0 1 Xxxx Xxxx Xxxx 8. 1 1 1 Xxxx xxxx Xxxx 3.5. Wyznzenie stnów wyjść lizników 3.5.1. Liznik modulo 2. Przeieg ćwizeni 1. N podstwie shemtu przedstwionego n rysunku 2.9., wykorzystują ukłd slony UY74107, zudowć liznik modulo 2 (przerzutnik typu T). 2. Ukłd zmodelowć n stnowisku ETS 7000. 3. Wyznzyć wrtośi stnów wyjśiowyh. Stny wyjśi zpisć w teli 1.3. 5V we J K R wy Rys. 2.9. Liznik modulo 2 Tel 1.3 Liznik modulo 2 Lp. (UY74107) we N N+1 1. 0 0 2. 1 0 3. 0 1 4. 1 1
20 3.5.2. Liznik modulo 4. Przeieg ćwizeni 1. N podstwie shemtu przedstwionego n rysunku 3.0., wykorzystują ukłd slony UY74107, zudowć liznik modulo 4. 2. Ukłd zmodelowć n stnowisku ETS 7000. 3. Wyznzyć wrtośi stnów wyjśiowyh. Stny wyjśi zpisć w teli 1.4. 5V we J K R wy1 Rys. 3.0. Liznik modulo 4 J K R Tel 1.4 4. Wykorzystują liznik modulo 4, głośnik {12} i genertor zmodeluj ukłd przedstwiony n rysunku 3.1. wy2 Liznik modulo 4 Lp. (UY74107) we wy1 wy2 1. 0 2. 1 3. 0 4. 1 5. 0 6. 1 7. 0 8. 1 A B Genertor 1kHz 5V J K R J K R Rys. 3.1. Ukłd liznik modulo 4 z genertorem i głośnikiem 5. Przełązj głośnik między punktmi A, B,. Określ różnie w dziłniu głośnik. Wnioski wynikjąe z włązeni liznik modulo 2 (punkt B) orz modulo 4 (punkt ) znotuj. 3.5.3. Liznik modulo 16. Przeieg ćwizeni 1. Wykorzystują ukłd slony UY7493, zrelizowć liznik modulo 16. 2. Ukłd zmodelowć n stnowisku ETS 7000, zgodnie ze shemtem podnym n rysunku 3.2. N wejśie podć sygnł z genertor (TTL MODE)
21 o jk njmniejszej zęstotliwośi (umożliwi to oserwje zmin stnów liznik) lu z kluz impulsowego {10} (tktownie ręzne). Wyjśi A, B,, D podłązyć do wyświetlz siedmiosegmentowego {15} i równolegle do ztereh diod świeąyh {17}. D B A MSB LSB wejśie A WE N A D Ms B 14 13 12 11 10 9 8 R R R R UY7493N 1 2 3 4 5 6 7 B WE R0 (1) R0 (2) N U N N +5V Rys. 3.2. Ukłd połązeń slonego liznik modulo 16 Sygnł wyjśiowy m ztery ity A, B,, D, z któryh A jest item njmłodszym LSB (ng. Lest Signifint Bit), D njstrszym MSB (ng. Most Signifint Bit). Liznik modulo 16 możn również wykonć korzystją z innyh ukłdów slonyh, n przykłd dwóh przerzutników UY74107N lu UY7476N. 3. Wyznzyć wrtośi stnów wyjśiowyh dl o njmniej szesnstu tktów. Stny wyjśi zpisć w teli 1.5. Tel 1.5 Numer Stn wyjść tktu D B A Liz dziesiętn 0 0 0 0 0 0 9 1 10 2 11 3 12 4 13 5 14 6 15 7 16 8 17 Numer Stn wyjść tktu D B A Liz dziesiętn
22 3.5.4. Liznik modulo 10. Przeieg ćwizeni 1. Wykorzystują ukłd slony UY7493 zrelizowć liznik modulo 10. 2. Ukłd zmodelowć n stnowisku ETS 7000, zgodnie ze shemtem podnym n rysunku 3.3. N wejśie podć sygnł z genertor (TTL MODE) o jk njmniejszej zęstotliwośi (umożliwi to oserwje zmin stnów liznik) lu z kluz impulsowego {10} (tktownie ręzne). Wyjśi A, B,, D podłązyć do wyświetlz siedmiosegmentowego {15} i równolegle do ztereh diod świeąyh {17}. wejśie MSB D B A LSB A WE N A D Ms B 14 13 12 11 10 9 8 R R R R UY7493N 1 2 3 4 5 6 7 B WE R0 (1) R0 (2) N U N N +5V Rys. 3.3. Ukłd połązeń slonego liznik modulo 10 Liznik modulo 10 możn również wykonć korzystją z innyh ukłdów slonyh, n przykłd dwóh przerzutników UY74107N lu UY7476N orz rmki UY7400N. 3. Wyznzyć wrtośi stnów wyjśiowyh dl o njmniej jedenstu tktów. Stny wyjśi zpisć w teli 1.6. Tel 1.6 Numer Stn wyjść tktu D B A Liz dziesiętn 0 0 0 0 0 0 7 1 8 2 9 3 10 4 11 5 12 6 13 Numer Stn wyjść tktu D B A Liz dziesiętn
23 3.6. Wyznzenie stnów wyjść rejestrów 3.6.1. Rejestr szeregowo-równoległy. Przeieg ćwizeni 1. Wykorzystują ukłd slony UY7475N (pozwórny przerzutnik typu D), zrelizowć rejestr szeregowo-równoległy. 2. Ukłd zmodelowć n stnowisku ETS 7000, zgodnie ze shemtem podnym n rysunku 3.4. N wejśie informyjne podć sygnł z przełąznik dwupołożeniowego {15}. N wejśie zegrowe podć sygnł z kluz impulsowego {10} (tktownie ręzne). Wyjśi A, B,, D podłązyć do wyświetlz siedmiosegmentowego {15} i równolegle do ztereh diod świeąyh {17}. Rejestr możn również wykonć korzystją z dwóh przerzutników typu D UY7474N lo z dwóh przerzutników JK UY74107N i rmek negji UY7404N lu rmek NAND UY7400N. LSB A B Wyjśi równoległe D MSB 1 2 2 1,2 Ms 3 3 4 16 15 14 13 12 11 10 9 D D D D Wejśie szeregowe Wejśie tktująe 1 2 3 4 5 6 7 8 1 D 1 D 2 3,4 U D 3 D 4 4 +5V Rys. 3.4. Ukłd połązeń slonego rejestru szeregowo równoległego 3. Wyznzyć wrtośi stnów wyjśiowyh dl trzeh serii po ztery tkty, zmieniją dl kżdej serii zteroitowe słowo wejśiowe. Rejestr nleży wyzerowć przed kżdą serią, wpisują zterem tktmi stn 0 0 0 0. Stny wyjśi zpisć w teli 1.7.
24 Tel 1.7 Słowo wejśiowe D B A Liz dziesiętn Numer Stn wyjść tktu D B A Liz dziesiętn 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 4. Oprownie wyników pomirów 1. Odnośnie do punktu 3.3.1. N podstwie tli prwdy wyznzyć nlityzną postć funkji wyjśiowyh dnyh rmek logiznyh. 2. Odnośnie do punktu 3.4.1. N podstwie tli dziłni wyznzyć nlityzną postć funkji wyjśiowyh przerzutnik JK i przerzutnik typu D. 3. Dl liznik modulo16, modulo 10 i rejestru szeregowo-równoległego wyrź wrtośi słów inrnyh w systemie dziesiętnym. 5. Sprwozdnie Sprwozdnie powinno zwierć: 1. Stronę tytułową (nzw ćwizeni, numer sekji, nzwisk i imion ćwiząyh orz dtę wykonni ćwizeni). 2. Dne ktlogowe dnyh ukłdów yfrowyh. 3. Shemty ukłdów montżowyh. 4. Tele wyników dń. 5. Oprowni wyników zgodnie z punktem 4. 6. Uwgi i wnioski dotyząe wyników wykonnyh dń.