Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 1/16 ĆWICZENIE 5 CYFROWE UKŁADY SCALONE STOSOWANE W AUTOMATYCE 1.CEL ĆWICZENIA: zapoznanie się z podstawowymi elementami cyfrowymi oraz z prostymi układami cyfrowymi stosowanymi w automatyce. Układem cyfrowym jest nazywany układ elektroniczny służący do przetwarzania informacji cyfrowej (dyskretnej). Działanie większości tych układów wykorzystuje sygnały dwuwartościowe (binarne). Ze względu na złożoność struktury wewnętrznej cyfrowe układy scalone można podzielić na trzy grupy: 1. Elementy logiczne np. bramki, przerzutniki. Są to układy tzw. małej skali integracji (zawierają nie więcej niż kilkadziesiąt elementów). 2. Bloki funkcjonalne np. licznik; rejestr. Są to układy tzw. średniej skali integracji (zawierają do kilkuset elementów). 3. Zespoły funkcjonalne np. mikroprocesor. Są to układy tzw. wielkiej skali integracji, (zawierające miliony elementów). Natomiast ze względu na funkcjonalność układy scalone można podzielić na: 1. Kombinacyjne - stan sygnałów wyjściowych w każdej chwili zależy od bieżącego stanu sygnałów wejściowych np. bramki, sumatory. 2. Sekwencyjne - stan sygnałów wyjściowych jest funkcją bieżącego i poprzednich stanów sygnału wejściowego i wyjściowego (tzw. układy z pamięcią) np. przerzutniki, liczniki. Układy sekwencyjne dzieli się na asynchroniczne i synchroniczne. W układach synchronicznych zmiana stanu wyjść odbywa się w chwilach wyznaczonych zmianą sygnału synchronizującego (taktującego, zegarowego).
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 2/16 Analogowe układy elektroniczne przeznaczone są do przetwarzania sygnałów analogowych tzn. takich, które przyjmują dowolną wartość pośrednią (np. napięcia, natężenia prądu) z pewnego określonego, ciągłego przedziału wartości. a) U we U wy we wy b) H L U we t[s] t[s] we Wzmacniacz Układ cyfrowy wy H L U wy t[s] t[s] Rys.1. Porównanie układów: analogowego (a) i cyfrowego (b). W przeciwieństwie do układów analogowych, układy cyfrowe są stosowane do odczytu, przetwarzania i zapisu informacji zakodowanej w postaci dwu przedziałów wartości napięć (natężeń i prądów): wysokich (H - High) i niskich (L - Low). Mówi się, że wejścia lub wyjścia układu cyfrowego są odpowiednio w stanie wysokim (H) lub niskim (L). Taki dwuwartościowy sygnał nazywamy binarnym (dwójkowym). Sygnał dwójkowy w określonej chwili może przyjmować jedną z dwóch wartości (np. napięcia), oznaczonych umownie symbolami 0 (zera) i 1 (jedynki) logicznej. W przypadku sygnałów dwójkowych napięciowych, w których wyższemu poziomowi napięcia (H - bardziej dodatni) przyporządkowuje się jedynkę logiczną, a niższemu (L - mniej dodatni) - zero logiczne mówi się o logice dodatniej. Konwencja przeciwna nazywana jest logiką ujemną. Poziomy napięć odpowiadające stanom zera i jedynki są dostosowane najczęściej do poziomów logicznych układów TTL (Transistor - Transistor Logic) lub ECL (Emitter Coupled Logic). I tak w układach TTL poziomy te mogą przyjmować wartości z pewnych zakresów: 1. U we 0.8 V jest odbierane jako niski poziom napięcia wejściowego: 0 U we 2V jest odbierane jako wysoki poziom napięcia wejściowego: 1 2. U wy 0.4V odpowiada stanowi niskiemu napięcia wyjściowego: 0 U wy 2.4V oznacza stan wysoki na wyjściu : 1
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 3/16 Sygnał cyfrowy, np. dwójkowy, służy do przedstawienia wartości wielkości nieciągłych (ziarnistych). Wartości wielkości ziarnistej można zapisać za pomocą kombinacji cyfr: 1 i 0, czyli w postaci kodu. Otrzymamy zapis nazywany słowem. Najmniejszą jednostką sygnału cyfrowego jest bit, którym może być tylko jeden z dwóch możliwych stanów (0 lub 1). Grupa bitów tworzy słowo cyfrowe, a liczba bitów słowa określa jego długość. Pierwszy bit z lewej strony słowa cyfrowego (np. 1 w słowie sześciobitowym 101100) nazywa się bitem najbardziej znaczącym (MSB - Most Significat Bit), a pierwszy z prawej nazywany jest bitem najmniej znaczącym (LSB - Least Significat Bit) [1]. Najczęściej stosuje się naturalny kod dwójkowy, kod Greya, kody dwójkowo - dziesiętne (BCD). Ta b.1. Wartości współczynników kodu naturalnego i Greya. a) kod naturalny (8421) b) kod Greya n b 8 b 4 b 2 b 1 N g 8 g 4 g 2 g 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 0 1 1 3 0 0 1 0 4 0 1 0 0 4 0 1 1 0 5 0 1 0 1 5 0 1 1 1 6 0 1 1 0 6 0 1 0 1 7 0 1 1 1 7 0 1 0 0 8 1 0 0 0 8 1 1 0 0 9 1 0 0 1 9 1 1 0 1 10 1 0 1 0 10 1 1 1 1 11 1 0 1 1 11 1 1 1 0 12 1 1 0 0 12 1 0 1 0 13 1 1 0 1 13 1 0 1 1 14 1 1 1 0 14 1 0 0 1 15 1 1 1 1 15 1 0 0 0 Naturalny kod dwójkowy 4- bitowy określa liczbę systemu dziesiętnego na podstawie zależności: n = 8b 8 + 4b 4 + 2b 2 + b 1 Współczynniki b 1, b 2, b 4, b 8 mogą przyjmować tylko wartości 1 i 0. Wartości tych współczynników odpowiadających liczbom dziesiętnym od zera do piętnastu przedstawia
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 4/16 Tabela 1a. Ogólną strukturę budowy kodu Greya (4 - bitowego) przedstawia Tabela 1b. Kod Greya charakteryzuje się tym, że tylko jeden bit zmienia wartość przy kolejnym zliczeniu. Sygnały cyfrowe charakteryzują się dużą odpornością na zakłócenia i zniekształcenia. Układy elektroniczne służące do przetwarzania sygnałów cyfrowych noszą nazwę przetworników cyfrowo - cyfrowych lub układów logicznych. Układy logiczne. Układy logiczne dzieli się na układy kombinacyjne i sekwencyjne. Układy logiczne kombinacyjne to takie, w których każdej kombinacji sygnałów wejściowych odpowiada jedna i tylko jedna kombinacja sygnałów wyjściowych. W układach logicznych sekwencyjnych sygnały wyjściowe zależą nie tylko od stanów na wejściu, lecz także od stanów wewnętrznych układu (od jego historii ). Najprostszymi układami logicznymi kombinacyjnymi są bramki logiczne (funktory) i sumatory. Podstawowymi układami sekwencyjnymi są przerzutniki. Przy opisie tych układów korzystamy z algebry logiki zwanej też algebrą Boole a (nazwa pochodzi od nazwiska jej twórcy Charles a Boole a, który opublikował podstawowe twierdzenia z algebry logiki w 1854 roku w książce An Investigation of the Law of Thought ). W algebrze logiki dowolne zmienne mogą osiągać tylko dwa stany tak lub nie przybierające wartości 1 i 0. Funkcję jednej lub wielu zmiennych, które są zmiennymi binarnymi nazywa się funkcją przełączającą. Trzy podstawowe funkcje przełączające używane w algebrze to przeczenie, suma logiczna i iloczyn logiczny, zwane również negacją, alternatywą i koniunkcją (po angielsku funkcje te nazywane są NOT, OR, AND) definiują tablice prawdy (Tabela 2). Elementy fizyczne realizujące wymienione podstawowe funkcje przełączające nazywa się elementami kombinacyjnymi, funktorami lub bramkami logicznymi. W Tabela 3 zestawiono oznaczenia bramek logicznych [1].
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 5/16 Tab.2. Tablice prawdy funkcji AND (a), OR (b), NOT (c), NOR (d), NAND (e). a) iloczynu logicznego AND b) sumy logicznej OR a b y = a b a b y = a b 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 c) negacji NOT d) zanegowanej sumy NOR e) zanegowanego iloczynu NAND a Y = a a b y = a b a b y = a 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 b Dowolną inną funkcję logiczną można przedstawić jako pewną kombinację wyżej przedstawionych działań. Mają one następujące własności: a + 0 = a a 1 = a a b = b a a + b = b + a a b c = a (b c) = (a b) c a (b + c) = a b + a c a + b + c = a + (b + c) = (a + b) + c a + b a = a + b Za pomocą tzw. przekształceń równoważnych można dokonać zmiany elementów NOR w NAND i odwrotnie. Realizacje równoważności zachodzących między funkcjami NOR, NAND, AND i OR są ujęte tzw. prawami de Morgana i mają następującą postać: a b = a + b a b = a + b a + b = a b a + b = a b
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 6/16 Przenosząc znak negacji z całego wyrażenia logicznego na jego składowe należy jednocześnie zamienić symbole operacji logicznych występujących w zapisie. Przenosząc symbol negacji z wyjścia na każde z wejść bramki lub ze wszystkich jej wejść na wyjście należy równocześnie zamienić OR (NOR) na bramki AND (NAND) i odwrotnie. Przykładowe równoważności między układami zawierającymi elementy OR i AND pokazano na rys.4. OR AND AND OR Rys. 4. Równoważności między układami zawierającymi elementy OR i AND. Prawa de Morgana mają istotne znaczenie przy projektowaniu układów logicznych. Ponieważ wszelkie wartości liczbowe można wyrazić w postaci kombinacji dwóch stanów logicznych, a operacje algebraiczne - w postaci operacji na tych stanach, więc wyżej omawiana dziedzina matematyki okazała się bardzo ważna w elektronice. Jednymi z najbardziej rozpowszechnionych układów logicznych są układy TTL pracujące w logice dodatniej. Seria podstawowa tych układów (tzw. 74) powstała w 1965 r. poziomy L (0-0.8V) H (2.4-3.6V). Przerzutniki. Prostymi elementami pamięciowymi są przerzutniki (rys.9). Zapamiętują one pojedyncze zdarzenie, polegające na pojawieniu się impulsu na ich wejściu. Zapamiętanie Skasowanie We PRZERZUTNIK Wy Wejście kasujące
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 7/16 Rys.9. Przerzutnik. Zapamiętanie tego zdarzenia objawia się zmianą stanu wyjściowego przerzutnika. W przerzutniku monostabilnym po pewnym (zaprogramowanym) czasie stan zapamiętania ulega samoistnemu wykasowaniu, natomiast w przerzutniku bistabilnym kasowanie odbywa się przez podanie impulsu na odpowiednie wejście. Przerzutniki bistabilne są układami dwustanowymi. W każdym z tych stanów przerzutnik może pozostawać przez nieograniczenie długi czas (rys.10). R A B C PRZERZUTNIK S Rys.10. Przerzutnik bistabilny. gdzie: A, B - wejścia informacyjne synchroniczne C - wejście zegarowe (Clock) S,R - wejścia informacyjne asynchroniczne S - wejście ustawiające (Set) R - wejście zerujące (Reset), - wyjścia: proste () i zanegowane ( ) Jeśli przerzutnik otrzyma instrukcję "przejdź do stanu 1" to wykona ją i pozostanie w tym stanie do czasu otrzymania instrukcji "przejdź do stanu 0". Jeśli przerzutnik będąc w stanie 1 otrzyma instrukcję "przejdź od stanu 0" to wykona ją i pozostanie w stanie 0 do czasu otrzymania instrukcji "przejdź do stanu 1". W ten sposób przerzutnik może zapamiętać 1 bit informacji. Gdy na wejściach R i S jest zero logiczne, stan wyjściowy określają wejścia A i B, ale ustala
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 8/16 się on dopiero po pojawieniu się impulsu zegarowego. Zmiana poziomu napięcia na wejściu informacyjnym asynchronicznym wymusza określony stan wyjść niezależnie od stanu pozostałych wejść. Nowy stan trwa dopóki na danym wejściu trwa odpowiedni poziom napięcia. Przerzutniki synchroniczne mają dwa rodzaje wejść: zegarowe (synchronizujące) - wymuszające przejście przerzutnika do nowego stanu i wejście informacyjne (programujące) D, JK, RS - zadające nowy stan. Na rys.12 przedstawiono symbol i zasadę działania przerzutnika D. t n t n+1 D 0 0 1 1 1 0 Rys.12. Przerzutnik D: symbol przerzutnika (a), sposób działania (b), tabela przejść (c). Sygnał występujący na wejściu D w chwili tn pojawia się na wyjściu dopiero w chwili tn+1 po przyjściu zbocza LH narastającego impulsu zegarowego. Dlatego przerzutnik D nazywa się układem opóźniającym. Stosuje się go do układów synchronizacji przebiegów i do budowy liczników. Przerzutniki synchroniczne mogą być sterowane (z wejścia zegarowego) zboczem impulsu lub impulsem - przerzutniki "Master-Slave" JK. W przerzutniku JK narastające zbocze impulsu zegarowego wpisuje informację określoną na wejściach programujących do części "Master" przerzutnika, a opadające zbocze powoduje przepisanie jej do wyjścia przerzutnika przez część "Slave" przerzutnika. Liczniki. Odpowiednie połączenie przerzutników typu D lub JK tworzy licznik służący do zliczania i zapamiętywania impulsów. Ze względu na zastosowanie w licznikach
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 9/16 przerzutników bistabilnych, zliczanie odbywa się w systemie dwójkowym. Pojemność P licznika wynosi: P = 2 n - 1, n - liczba zastosowanych przerzutników Jeden ze stanów licznika przyjmuje się jako zerowy, a czynność ustawiania licznika w tym stanie nazywa się zerowaniem. Ze względu na rodzaj pracy liczniki dzieli się m.in. na synchroniczne (równoległe), asynchroniczne (szeregowe). Rys.14 przedstawia jednobitowy licznik (dzielnik) z przerzutnikiem D i JK Rys.14. Elementarny licznik jednobitowy z przerzutnikiem D i JK W liczniku szeregowym (rys.15) zliczane impulsy doprowadza się tylko do wejścia synchronizacji pierwszego przerzutnika licznika. Wejście każdego następnego przerzutnika jest połączone z wyjściem poprzedniego. a) 1 2 3 C D D C D C
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 10/16 b) Rys.15. Szeregowy licznik dwójkowy: schemat (a), przebiegi czasowe (b). 2.LITERATURA 1. M.Rusek, R.Ćwirko, W.Marciniak: Przewodnik po elektronice, WNT 1986. 2. Otto Limanu: Elektronika bez wielkich problemów, WKŁ, Warszawa 1976. 3. J.Kalisz: Podstawy elektroniki cyfrowej, WKŁ, Warszawa 1998. 4. W.Sasal: Układy scalone serii UCE64/UCY74 Parametry i zastosowania, WKŁ, Warszawa 1985
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 11/16 3.PRZEBIEG ĆWICZENIA: Student wykonuje wybrane punkty ćwiczenia zgodnie z zaleceniami prowadzącego. 3.l. BRAMKI LOGICZNE 3.1.1. Bramka NOT. Wypełnić tablicę stanów bramki NOT: A F 0 1 Podać funkcję logiczna tej bramki: F=... 3.1.2. Bramka NAND dwuwejściowa Wypełnić tablicę stanów dwuwejściowej bramki NAND: A B F 0 0 O 1 1 0 1 1
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 12/16 Podać funkcję logiczna tej bramki: F =... Wyjaśnić zapis funkcji logicznej: F = A B = A + B Wypełnić tabelę stanów ośmiowejściowej bramki NAND: A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 F 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1.1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 Podać funkcję logiczną tej bramki: F= 3.2. PRZERZUTNIKI 3.2.1. Przerzutnik asynchroniczny RS Połączyć układ przerzutnika asynchronicznego RS. Wypełnić tabelę stanów.
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 13/16 R S n 1 n n n - stan wyjścia w chwili t n n-1 - stan wyjścia w chwili t n-1 bezpośrednio poprzedzającej t n Przerzutnik realizuje funkcję: n = R + S n 1 Wyjaśnić, co to jest stan niedozwolony na wejściu przerzutnika. 3.2.2. Przerzutnik synchroniczny RS. Połączyć układ synchronicznego przerzutnika RS. Wypełnić tablicę stanów przerzutnika. R S T n-1 n Wyjaśnić, na czym polega różnica w budowie i działaniu pomiędzy przerzutnikiem synchronicznym a asynchronicznym. 3.2.3. Przerzutnik D. Połączyć układ przerzutnika typu D. Wypełnić tablicę stanów analogicznie jak w punkcie.3.2.2.
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 14/16 D T n-1 n 3.3. LICZNIKI 3.3.1. Licznik dwójkowy: Połączyć układ licznika binarnego (dwójkowego) oraz wypełnić tablicę stanów. 3.3.2. Licznik dziesiętny: Połączyć układ licznika dziesiętnego. Wypełnić tablicę stanów analogicznie jak w punkcie 3.3.1. Wyjaśnić, dlaczego licznik liczy tylko do dziesięciu.
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 15/16 3.4. PRAKTYCZNE UKŁADY ZASTOSOWAŃ 3.4.1. Zegar elektroniczny. Połączyć układ zegara elektronicznego i sprawdzić jego działanie. Następnie usunąć dodatkowe bramki w układzie sprzężenia obu liczników i ponownie sprawdzić działanie układu.
Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 16/16 3.4.2. Stoper elektroniczny. Połączyć układ stopera elektronicznego (liczącego do 60) bez użycia dodatkowych bramek w obwodzie sprzężenia. Dla zapewnienia prawidłowej pracy wykorzystać wewnętrzną bramkę wejścia zerującego licznika (patrz schemat na pulpicie). Sprawdzić działanie układu i narysować schemat połączeń. 3.4.3. Licznik modulo 120. Podłączyć układ licznika zliczającego w kodzie binarnym modulo 120 (po 120-tym impulsie powinno wystąpić wyzerowanie licznika). Sprawdzić działanie układu. Narysować schemat połączeń. 3,4.4 Układ zliczający impulsy. Połączyć układ zliczający liczbę impulsów podaną przez prowadzącego zajęcia. Po zliczeniu zadanej liczby N impulsów, układ powinien się zatrzymać i uniemożliwić dalsze zliczanie. Sprawdzić działanie układu i narysować schemat połączeń.