laboratorium podstaw techniki cyfrowej
advertisement
Krystyna Maria Noga LABORATORIUM PODSTAW TECHNIKI CYFROWEJ Gdynia 2005 RECENZENT: dr inż. Jerzy KRUPA REDAKCJA: Marta GRZYBOWSKA KOREKTA: Bożena SOBOLEWSKA Wydawca: Akademia Morska w Gdyni Wydział Elektryczny – studia zaoczne ISBN 83-87875-42-2 dla wydania trzeciego ISBN dla wydania czwartego Wersja elektroniczna Wydawca zastrzega sobie wszelkie prawa autorskie i wydawnicze Akademia Morska, Dział Wydawnictw ul. Morska 81-87, 81-225 Gdynia, tel. 690-12-78 Wydanie czwarte, poprawione maj 2005 2 SPIS TREŚCI Strona Wstęp ................................................................................................ 4 1. Modułowy zestaw elementów logicznych UNILOG ................... 6 2. Bramki TTL i synteza układów kombinacyjnych ....................... 16 3. Bloki komutacyjne ....................................................................... 51 4. Bloki arytmetyczne ..................................................................... 66 5. Przerzutniki bistabilne .................................................................. 82 6. Synteza układów sekwencyjnych ............................................... 100 7. Liczniki i rejestry scalone ............................................................ 116 8. Układy uzależnień czasowych ..................................................... 135 9. Podstawowe bramki, generatory astabilne i monostabilne C-MOS ............................................................... 149 10. Klucze dwukierunkowe, multipleksery, demultipleksery CMOS ................................................................ 166 11. Cyfrowy układ sterowania pracą windy ładunkowej ................... 182 Załączniki ........................................................................................... 208 3 WSTĘP Skrypt niniejszy obejmuje tematy ćwiczeń laboratoryjnych z podstaw techniki cyfrowej. Dotyczą one badania podstawowych układów kombinacyjnych, sekwencyjnych i uzależnień czasowych. Zakres i tematyka ćwiczeń zostały dostosowane do programu studiów specjalności elektroautomatyka okrętowa i komputerowe systemy sterowania na Wydziale Elektrycznym Akademii Morskiej w Gdyni na studiach dziennych i zaocznych. Skrypt można również traktować jako pomoc dydaktyczną w czasie wykładu i ćwiczeń tablicowych z przedmiotu podstawy techniki cyfrowej. Układ poszczególnych ćwiczeń jest podobny - po części teoretycznej, mającej na celu wyjaśnienie pojęć niezbędnych do zrozumienia ćwiczenia, znajduje się opis jego przebiegu i instrukcja wskazująca, jakie badanie należy wykonać w laboratorium i jaka powinna być zawartość sprawozdania. Podano także zagadnienia do samodzielnego opracowania przez studentów. Po każdym ćwiczeniu zamieszczono spis najpopularniejszych pozycji literatury związanych z daną tematyką. Część ćwiczeń realizowana jest za pomocą modułowych zestawów elementów logicznych UNILOG-2, w które wyposażone jest laboratorium. Dlatego w początkowej części skryptu zawarto skrócony opis zestawu UNILOG-2 oraz podano charakterystykę wykorzystywanego w ćwiczeniach analizatora sygnałów TTL. Ponadto część ćwiczeń może być realizowana w środowisku Electronics Workbench oraz Multisim 2001. Na stronie internetowej -www.am.gdynia.pl\~jagat dostępnych jest sporo gotowych projektów, które powinny ułatwić zrozumienie zasad projektowania układów cyfrowych w środowisku wirtualnym. Wyrażam podziękowanie mojemu dyplomantowi, G. Przytarskiemu, za przygotowanie programu omówionego w rozdziale 2.3. Czytelników tego skryptu proszę o zgłaszanie ewentualnych uwag. Autorka 4 Uwaga – dotyczy wszystkich ćwiczeń laboratoryjnych przed wykonaniem niektórych ćwiczeń laboratoryjnych należy przygotować w domu własne projekty (w Internecie, na stronie www. am.gdynia.pl\~jagat, przedstawiłam przykładowe projekty oraz szablony do niektórych ćwiczeń laboratoryjnych). Można skorzystać z przedstawionych w niniejszym skrypcie propozycji tematów, można też zrealizować inny, związany tematycznie, projekt. W sprawozdaniu należy umieścić własny projekt, wzorcowych, przedstawionych w Internecie, proszę nie umieszczać. Wykaz zadań, które należy zrealizować w czasie zajęć laboratoryjnych należy ustalić z prowadzącym zajęcia (w niniejszym skrypcie podano przykładowe propozycje). Na potrzeby zajęć audytoryjnych, tablicowych oraz laboratoryjnych z Techniki Cyfrowej zapraszam na strony Internetowe http://www. am.gdynia.pl\~jagat, http://rafa.am.gdynia.pl\~czarny, http://rafa.am.gdynia.pl\~anacz 5 1. MODUŁOWY ZESTAW ELEMENTÓW LOGICZNYCH UNILOG 1.1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ZESTAWU Zestaw elementów logicznych UNILOG-2 jest urządzeniem przenośnym. Obudowa wykonana w formie walizki zawiera pole operacyjne mieszczące 12 wymiennych modułów logicznych oraz 3 niewymienne panele techniczne: zasilacz, panel przełączników i wskaźników diodowych oraz panel generatora. Płytę czołową zestawu przedstawiono na rysunku 1.1. CLOCK WYMIENNE MODUŁY PULSE PROBE 5V DC MAINS DISPLAY OSCILLOSCOPE DISPLAY REGISTER SWICH REGISTER Rys.1.1. Płyta czołowa zestawu UNILOG-2 Każdy moduł logiczny zawiera jeden układ scalony TTL lub C-MOS. Wyprowadzenia układu logicznego są połączone z końcówkami umieszczonymi na płycie czołowej modułu i wkomponowanymi w topografię wyprowadzeń układu naniesioną na tę płytę. W środku pola operacyjnego znajduje się listwa zasilająca, na której umieszczono końcówki ze stałymi poziomami logicznymi, oznaczone literą H, oraz końcówki zasilania, oznaczone symbolami +5 V i 0 V. Moduł logiczny jest zasilany poprzez połączenie końcó- 6 wek na jego płycie, oznaczonych symbolami +5 V lub U cc i 0 V lub GND, z odpowiednimi końcówkami na listwie zasilającej. Wartościom logicznym 0 i 1 są w zestawie UNILOGU-2 przyporządkowane poziomy logiczne L i H. Niski poziom logiczny L, któremu odpowiada w technice TTL napięcie wejściowe od 0 do +0,8 V oraz napięcie wyjściowe od 0 do +0,4 V, jest przyporządkowany wartości logicznej 0. Wysoki poziom logiczny H, któremu odpowiada w technice TTL napięcie wejściowe od +2,0 do +5,0 V oraz napięcie wyjściowe od +2,4 do 5,0 V, jest przyporządkowany wartości logicznej 1. Założenia te są słuszne dla tzw. logiki dodatniej. Do budowy połączeń pomiędzy modułami logicznymi oraz między modułami i panelami technicznymi służą specjalne przewody połączeniowe o różnej długości wchodzące w skład zestawu. Wykonując połączenia, należy zwracać uwagę, aby wyjścia bramek, przerzutników i innych układów logicznych były łączone tylko z wejściami układów logicznych. Połączenie wyjścia z wyjściem lub wyjścia z zasilaniem +5 V jest niedozwolone i może doprowadzić do zniszczenia układu scalonego. Każde wejście układu logicznego stanowi pewne obciążenie dla wyjścia, które nim steruje. Wielkością określającą obciążenie wnoszone przez wejście układu jest współczynnik obciążalności wejścia. Na przykład każde wejście prostej bramki logicznej ma współczynnik obciążalności równy 1, wejścia ustawiające S (oznaczane również jako Pr) i zerujące R (Clear) przerzutników mają współczynnik obciążalności równy 2, wejście zegarowe T (CP, CL, C) przerzutników ma współczynnik równy 2. Każde wyjście układu logicznego charakteryzuje się zdolnością wysterowania pewnej maksymalnej liczby układów wejściowych. Liczbę tę określa współczynnik obciążalności wyjścia. Wartości tych współczynników dostępne są w katalogach układów logicznych, a także w dokumentacji technicznej zestawu UNILOG-2. Dokonując połączeń pomiędzy modułami logicznymi, należy przestrzegać zasady, że suma współczynników obciążalności wejść sterowanych z jednego wyjścia nie może być większa niż współczynnik jego obciążalności. 7 1.2. PANEL ZASILACZA Panel zasilacza umieszczony jest po lewej stronie pulpitu technicznego. Na płycie czołowej panelu znajduje się wyłącznik sieciowy MAINS. Zestaw zasilany jest napięciem przemiennym 220 V, 50 Hz. Podłączenie zestawu do sieci sygnalizuje wskaźnik diodowy umieszczony nad przełącznikiem. Ponadto na panelu zasilacza umieszczone jest gniazdo PROBE 5 V DC, przeznaczone do podłączenia analizatora sygnałów TTL typu PSL-1, stanowiącego wyposażenie dodatkowe zestawu. 1.3. PANEL PRZEŁĄCZNIKÓW I WSKAŹNIKÓW Panel przełączników i wskaźników umieszczony jest w środkowej części zestawu UNILOG-2. Składa się on z dwóch części opisanych SWITCH REGISTER i DISPLAY REGISTER. W części oznaczonej SWITCH REGISTER znajduje się 8 przełączników dwustabilnych, przeznaczonych do ręcznego ustawiania poziomów logicznych, wykorzystywanych do sterowania badanych układów. Nad każdym przełącznikiem umieszczone są dwie związane z nim końcówki wyjściowe. Na końcówce górnej, oznaczonej symbolem , występuje poziom L, jeżeli przełącznik jest zwolniony, oraz poziom H, jeżeli przełącznik jest wciśnięty. Na końcówce dolnej, oznaczonej symbolem , występuje poziom H, jeśli przełącznik jest zwolniony, oraz poziom L, jeśli przełącznik jest wciśnięty. Współczynnik obciążalności każdego wyjścia wynosi 30. W części oznaczonej DISPLAY REGISTER znajduje się 16 niezależnych wskaźników diodowych, służących do monitorowania stanów logicznych w różnych punktach badanych układów. Dioda emituje światło, jeżeli na odpowiadające jej wejście podany jest poziom logiczny H, nie emituje zaś światła, jeżeli na jej wejście został podany poziom logiczny L lub wejście jest nie podłączone. Współczynnik obciążalności każdego wejścia wynosi 1. 8 1.4. PANEL GENERATORA Panel generatora składa się z czterech części. W części opisanej jako CLOCK umieszczono układ generatora ciągu impulsów, tzw. zegar. Ma on dwa wyjścia, każde o współczynniku obciążalności 30. generowany jest ciąg impulsów H, na Na wyjściu oznaczonym - ciąg impulsów L. Częstotliwość impulsów wyjściu oznaczonym zegara wybiera się poprzez wciśnięcie jednego z trzech przełączników stabilnych, opisanych 1 Hz, 1 kHz i 1 MHz. Szerokość impulsów zegara równa jest połowie okresu drgań, wynikającego z wybranej częstotliwości. Znajdujące się nad przełącznikami pokrętło służy do płynnej regulacji częstotliwości impulsów zegarowych. Umożliwia ono regulację częstotliwości od połowy wartości ustawionej za pomocą przełącznika do wartości pięciokrotnej. W części oznaczonej PULSE umieszczone są trzy przełączniki niestabilne, umożliwiające generację pojedynczych impulsów H na , lub impulsów L na wyjściu dolwyjściu górnym, oznaczonym nym, oznaczonym . Wciśnięcie i zwolnienie przełącznika powoduje wygenerowanie dokładnie jednego impulsu. Współczynnik obciążalności każdego wyjścia wynosi 30. W części opisanej DISPLAY znajduje się cyfrowy wskaźnik 7-segmentowy i wyprowadzone są dwa rodzaje wejść tego wskaźnika. Wejścia oznaczone a, b, c, d, e, f, g, DP pozwalają na bezpośrednie sterowanie segmentami. Podanie poziomu L na jedno z wejść wskaźnika powoduje emitowanie światła przez odpowiedni segment wskaźnika. Natomiast wejścia oznaczone jako 20 , 21 , 22 , 23 są wejściami scalonego translatora kodu BCD na kod wskaźnika 7-segmentowego, wbudowanego w panel i połączonego ze wskaźnikami. W części opisanej OSCILLOSCOPE umieszczone są dwie pary gniazd A i B. Ułatwiają one prowadzenie obserwacji oscyloskopowych przebiegów logicznych w badanych układach. Dwa gniazda koncentryczne, służące do podłączenia przewodów koncentrycznych, połączone są z dwiema końcówkami, umożliwiającymi połączenie z oscyloskopem dwukanałowym wybranych punktów badanego układu. 9 1.5. ANALIZATOR SYGNAŁÓW TTL Analizator sygnałów TTL typu PSL-1 wykonany jest w postaci zwartej konstrukcji z wyprowadzonym przewodem zasilającym, zakończonym wtykiem słuchawkowym. Ponadto wyposażono go w wymienne końcówki pomiarowe, zakończone ostrzem lub giętkim przewodem. Ogólny widok analizatora pokazano na rysunku 1.2. AA przycisk kasujący funkcji przełącznik funkcji L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 A B→ C→ ←D Rys. 1.2. Analizator sygnałów TTL typu PSL-1 Analizator zasilany jest napięciem +5 V. Napięcie zasilające należy podać na górny wtyk słuchawkowy lub na czerwoną żyłę przewodu zasilającego. Podczas badania układów zrealizowanych za pomocą zestawu UNILOG-2 najwygodniej jest wykorzystać do zasilania analizatora znajdujące się w panelu zasilacza tego zestawu gniazdo ``PROBE 5V DC``. W wypadku niezależnego zasilania analizatora na-leży uważać, aby nie pomylić biegunowości zasilania, gdyż ewentualna zmiana w tym zakresie prowadzi do trwałego uszkodzenia analizatora. W przedniej części obudowy analizatora znajdują się gniazda wejściowe A i B, na które za pośrednictwem końcówek pomiarowych podawane są badane sygnały, oraz gniazdo C, umożliwiające podłączenie dodatkowego przewodu masy badanego układu. Z boku obudowy znajduje się przycisk kasowania R, służący do zerowania wewnętrznych rejestrów analizatora. Na płycie czołowej analizatora umieszczono diody świecące, sygnalizujące stan badanego układu, oraz przełącznik funkcji, sterują- 10 cy sposobem pracy wewnętrznego licznika impulsów. Poszczególne elementy mają za zadanie sygnalizować: • dioda świecąca L1 - wysoki poziom sygnału na wejściu A, • dioda świecąca L2 - zarejestrowanie co najmniej jednego zbocza opadającego na wejściu A, • dioda świecąca L3 - niski poziom sygnału na wejściu A, • dioda świecąca L4 - zarejestrowanie faktu, że sygnał na wejściu B miał wysoki poziom podczas narastającego zbocza sygnału na wejściu A ( dotyczy to pierwszego po wyzerowaniu analizatora narastającego zbocza sygnału na wejściu A, a służy do rozpoznawania wzajemnej lokalizacji czasowej impulsów w sygnałach podawanych na wejścia A i B ), • diody świecące L5-L8 - stan licznika binarnego, który w zależności od położenia przełącznika funkcji zlicza ilość narastających zboczy w sygnale podawanym na wejście A lub ilość narastających zboczy w sygnale na wejściu B w czasie trwania ramki czasowej, wyznaczonej przez dwa pierwsze (po wyzerowaniu przyciskiem R) opadające zbocza w sygnale na wejściu A, • dioda świecąca L9 - przepełnienie licznika binarnego. W tylnej części obudowy analizatora, obok przewodu zasilającego, umieszczone jest gniazdo wyjściowe D sygnału TTL z czwartego bitu licznika binarnego. Daje ono możliwość podłączenia dodatkowego zewnętrznego licznika impulsów. Zestaw UNILOGU-2 może również współpracować z analizatorem sygnałów TTL typu PSL-1A (rys. 1.3). Analizator ten umożliwia wykrycie stanu logicznego L (zielona dioda) oraz stanu logicznego H (dioda czerwona). Na czerwoną żyłę przewodu zasilającego należy podać napięcie +5 V. Rys. 1.3. Analizator sygnałów TTL typu PSL-1A 11 1.6. WYKAZ UKŁADÓW SCALONYCH I DODATKOWYCH ELEMENTÓW DOSTĘPNYCH W LABORATORIUM 1.6.1. Moduły logiczne TTL serii UCY 74 zestawu UNILOG (Druga liczba, występująca po liczbie identyfikującej układ scalony, określa liczbę modułów) 7400 - 14, 7402 - 5, 7404 - 5, 7410 - 9 7420 - 14, 7442 - 5, 7450 - 5, 7460 - 5, 7472 - 3, 7474 - 9, 7476 - 10, 7483 - 5, 7485 - 5, 7486 - 4, 7489 - 2, 7490 - 3, 7493 - 5, 7495 - 5, 74123 - 7, 74150 - 2, 74151 -7, 74154 - 2, 74155 - 7, 74181 - 5, 74192 - 5, 74193 - 5, elementy RC - 7, podstawka 16 pin - 17, podstawka 24 pin - 10. 1.6.2. Moduły logiczne C - MOS serii 4000 zestawu UNILOG (Druga liczba, występująca po liczbie identyfikującej układ scalony, określa liczbę modułów) 4000 - 2, 4007 - 2, 4008 - 1, 4011 - 2, 4012 - 2, 4013 - 2, 4019 - 1, 4024 - 1, 4027 - 2, 4028 - 1, 4029 - 2, 4035 - 2, 4040 - 1, 4042 - 1, 4047 - 2, 4044 - 3, 4050 - 2, 4051 - 2, 4059 - 2, 4066 - 2, 4511 - 4, 4724 - 1. UWAGA: odpowiednikiem krajowym jest seria MCY 74. 1.6.3. Układy scalone TTL serii UCY 74 i C-MOS serii MCY 74 Układy C - MOS 74000, 74001, 74002, 74011, 74012, 74013, 74016, 74022, 74023, 74028, 74028, 74047, 74049, 74051, 74052, 74053, 74066, 74069, 74071, 74072, 74077, 74081, 74093. Układy TTL 7400, 7401, 7402, 7403, 7404, 7405, 7406, 7407, 7408, 7409, 7410, 7414, 7416, 7417, 7420, 7430, 7437, 7438, 7440, 7442, 7447, 7450, 12 7451, 7453, 7454, 7460, 7472, 7473, 7474, 7475, 7476, 7483, 7485, 7486, 7490, 7492, 7493, 7495, 74107, 74121, 74123, 74132, 74141, 74145, 74150, 74151, 74153, 74154, 74157, 74164, 74165, 74174, 74175, 74180, 74181, 74192, 74193, 74549, 74A60, 74H00, 74H10, 74HCT14, 74LS00, 74LS02, 74LS04, 74LS05, 74LS08, 74LS09, 74LS10, 74LS11, 74LS14, 74LS15, 74LS20, 74LS21, 74LS22, 74LS26, 74LS32, 74LS74, 74LS90, 74LS109, 74LS123, 74LS132, 74LS138, 74LS139, 74LS174, 74LS373, 74S00, 74S405, 74S412. 1.6.4. Elementy dodatkowe Płytki z zestawami elementów 820 Ω, 390 Ω, 200 Ω, 110 Ω, 1µF, 4 x 200 Ω, 4 x 1 kΩ, 1 µF, 2,2 µF, 4,7 µF, 22 µF, 33 µF, 47 µF, 100 µF, 220µF, 470 µF , 2 x BC109, 2 x BC179, 4 x BAY55, 2 x BAVP21, 2 x GD507, 2 x 1N40. Elementy na przewodach rezystory: 110 Ω – 1; 820 Ω – 2; 11 kΩ – 1; 15 kΩ – 3; 27 kΩ – 1; 30 kΩ – 2; 39 kΩ – 5; 51 kΩ – 2; 820 kΩ – 1; dioda: 1N4005 – 2; kondensatory: 100 µF – 1; 220 µF – 5; 470 µF – 2; 1000 µF – 1. 1.7. PŁYTKA LOGICZNA Z TRANSLATOREM KODU BCD NA KOD WSKAŹNIKA 7-SEGMENTOWEGO Wskaźnik 7-segmentowy, wchodzący w skład zestawu UNILOG2, znajdujący się w polu DISPLAY, nie zawiera następujących wejść funkcyjnych: • wejścia wygaszania, spełniającego również funkcję sygnalizacji wygaszania zera BI/RBO (ang. Blanking Input/Ripple Blanking Output), • wejścia wygaszania zera RBI (ang. Ripple Blanking Input), • wejścia testowego LT (ang. Lamp Test). 13 Wyświetlacz A Vcc + 1 2 3 4 5 6 7 R1 20 A 21 B 22 C 23 D BI/RBO E RBI F LT a R2 f R3 b g R4 R5 R6 e c R7 G d R8 UCY 7447 12345678 BEZPOŚREDNIE ZASILANIE WYŚWIETLACZA A Wyświetlacz B 1 2 3 4 5 6 7 20 A 21 B 22 C 23 D BI/RBO E RBI F LT R9 a R10 R11 f R12 b g R13 R14 R15 G e c d R16 UCY 7447 12345678 BEZPOŚREDNIE ZASILANIE WYŚWIETLACZA B Rys. 1.4. Układ sterujący wskaźnikami 7-segmentowymi o wspólnej anodzie 14 Układ sterujący wskaźnikami 7-segmentowymi o wspólnej anodzie zawierający wejścia funkcyjne przedstawiony jest na rysunku 1.4; został on wykonany w postaci dodatkowej płytki współpracującej z zestawem UNILOG-2. Poszczególne katody segmentów są dołączone do wyjścia układu UCY 7447 (translator kodu BCD na kod wskaźnika 7-segmentowego o wyjściach zanegowanych) poprzez rezystory ograniczające prąd do wartości dopuszczalnej, jaka może płynąć przez segment. 15 2. BRAMKI TTL I SYNTEZA UKŁADÓW KOMBINACYJNYCH 2.1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest praktyczne poznanie podstawowych układów cyfrowych, realizujących funkcje logiczne, oraz ich parametrów i charakterystyk. Ćwiczenie umożliwia zbudowanie i przebadanie wcześniej zaprojektowanego układu kombinacyjnego. Wykorzystuje się tu modułowy zestaw elementów logicznych UNILOG-2 lub program dydaktyczny do badania podstawowych charakterystyk wybranych elementów półprzewodnikowych [ 8 ]. 2.2. PODSTAWOWE WIADOMOŚCI TEORETYCZNE 2.2.1. Układy cyfrowe TTL Spośród monolitycznych układów cyfrowych dużą popularność, obok obecnie powszechnie stosowanych układów cyfrowych wykonanych w technice MOS, osiągnęły wykonane w technice bipolarnej układy tranzystorowo-tranzystorowe TTL (ang. Transistor-Transistor Logic). Układy TTL są elementami dwustanowymi, których aktualny stan można opisać wykorzystując dwuelementową algebrę Boole’a. Wysoki poziom napięcia (logiczna 1) oznacza się literą H (ang. High), natomiast poziom niski (logiczne 0) literą L (ang. Low ). Stosuje się trzy podstawowe kryteria podziału cyfrowych układów scalonych TTL: a/ ze względu na zakres temperatur pracy oraz napięć zasilania układy TTL dzielą się na trzy podstawowe serie, które zostały przedstawione w tabeli 2.1, b/ ze względu na czas propagacji i pobór mocy układy TTL dzielą się na pięć wersji (tab. 2.2): • układy standardowe, 16 • • • • c/ • • • • układy małej mocy strat (L), lecz o większym czasie propagacji, układy szybkie (H), lecz o zwiększonej mocy strat, układy superszybkie (S), układy superszybkie (LS) małej mocy strat, ze względu na liczbę elementów w jednej obudowie układy TTL dzielą się na: układy małej skali integracji (ang. SSI - Small Scale Integration) zawierające nie więcej niż 12 bramek w jednej strukturze, układy średniej skali integracji (ang. MSI - Medium Skale Integration) zawierające 13÷99 bramek, układy dużej skali integracji (ang. LSI - Large Sale Integration) zawierające 100÷10 000 bramek, układy bardzo dużej skali integracji (ang. VLSI - Very Large Scale Integration) zawierające powyżej 10 000 bramek. Tabela 2.1 Zakres temperatur pracy i napięć układów TTL Napięcie zasilania [V] o Seria Zakres temperatur pracy [ C] 54 74 64 od -55 do +125 od 0 do +70 od -25 do +85 5 ±10% 5 ± 5% 5 ± 5% Tabela 2.2 Podstawowe parametry techniczne bramek TTL serii 74 standardowa H Wersja L Czas propagacji tp [ns] 10 6 33 3 10 Częstotliwość maks. fmax [MHz] 35 50 3 125 45 Moc strat Ps [mW] 10 22 1 19 2 Obciążalność N 10 10 10 10 20 Parametry S LS 2.2.2. Podstawowa bramka z serii 74 Podstawowym elementem układów cyfrowych TTL jest bramka NAND z serii 74. Jej schemat bramki przedstawiono na rysunku 2.1. Bramka realizuje funkcję negacji iloczynu logicznego, tzn. F = AB . 17 Rys. 2.1. Schemat ideowy bramki podstawowej NAND Sygnały wejściowe podawane są na emitery tranzystora wieloemiterowego T1, realizującego iloczyn logiczny. Tranzystor T2 pracuje w układzie wzmacniacza pośredniczącego, natomiast tranzystory T3 i T4 stanowią przeciwsobny stopień wyjściowy (Totem - Pole). Zapewnia on małą rezystancję wyjściową w obu stanach logicznych. Jeżeli przynajmniej na jedno wejście bramki podany jest sygnał 0 (napięcie o poziomie L), to tranzystor T1 przewodzi prąd będąc w stanie nasyconym, zatykając tym samym tranzystor T2. Zatkanie T2 pociąga za sobą zatkanie T4, natomiast T3 działa wtedy jako wtórnik emiterowy, w którym rolę opornika emiterowego spełnia obciążenie bramki. Napięcie wyjściowe odpowiada poziomowi logicznemu 1. Jeżeli na oba wejścia bramki podane zostaną sygnały o wartości logicznej H, wówczas złącze emiterowe tranzystora T1 jest spolaryzowane w kierunku zaporowym (obszar pracy inwersyjnej, gdzie kolektor i emiter zamieniają wzajemnie role). Tranzystor T2 zostaje wysterowany do stanu nasycenia. Spadek napięcia na kolektorze T2 powoduje zatkanie T3, natomiast T4 wchodzi w stan głębokiego nasycenia, a tym samym napięcie na jego kolektorze spada do około 0,2 V (stan L). Przykładem układu scalonego zawierającego cztery dwuwejściowe bramki NAND jest układ UCY 7400 (SN7400). Właściwości statyczne układów logicznych TTL można przedstawić w postaci odpowiednich charakterystyk. Podstawową charakte18 rystyką statyczną jest charakterystyka przejściowa (przełączania) U0 = f(UI), określająca zależność napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego bramki. Na rysunku 2.2 pokazano charakterystykę przejściową standardowej bramki NAND. Zależności prądowo-napięciowe układu ilustruje się za pomocą charakterystyki wejściowej II = f(UI). Przykładową charakterystykę wejściową standardowej bramki NAND przedstawiono na rysunku 2.3. U0 UOH MIN UOL MAX [V] 4,8 4,4 4,0 3,6 3,2 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 UIL MAX UIH MIN UI [V] Rys. 2.2. Charakterystyka przejściowa bramki NAND II [mA] 0,5 1 3 2 4 -1 Rys. 2.3. Charakterystyka wejściowa bramki NAND 19 UI [V] Charakterystykę poboru prądu zasilania Icc = f(UI) bramki NAND, określającą zależność prądu zasilania od napięcia wejściowego, przedstawiono na rysunku 2.4. ~20 mA Icc [mA] ~13 mA ~10 mA UI [V] ~1,5 V Rys. 2.4. Charakterystyka poboru prądu zasilania W celu zobrazowania możliwości obciążenia bramki podaje się dwie charakterystyki wyjściowe U0 = f(I0) – osobno dla stanu wysokiego i niskiego na wyjściu bramki (rys. 2.5). UOH [V] UOL [V] a) 5 0,5 4 0,4 3 0,3 2 0,2 1 0,1 5 10 15 20 25 30 IOH [mA] b) 10 20 30 40 50 IOL [mA] Rys. 2.5. Charakterystyki wyjściowe bramki NAND: a) dla stanu H na wyjściu, b) dla stanu L na wyjściu Oporność wyjściowa bramki w stanie 1, przy małym obciążeniu nie po-wodującym nasycenia tranzystora T3, wynosi około 100 Ω, nato- 20 miast w stanie 0 - około 10 Ω (wyjście zachowuje się jak kolektor nasyconego tranzystora z emiterem na masie). W serii UCY 74 gwarantowane są następujące wartości napięć: • U IL max = 0,8 V, maksymalna wartość napięcia wejściowego w stanie 0, • U IH min = 2,0 V, minimalna wartość napięcia wejściowego w stanie 1, • U OL max = 0,4 V, maksymalna wartość napięcia wyjściowego w stanie 0 dla prądu wyjściowego nie przekraczającego 16 mA, • U OH min = 2,4 V, minimalna wartość napięcia wyjściowego w stanie 1 dla prądu pobieranego mniejszego niż 400 µA. Podane powyżej prądy obciążenia dotyczą wyłącznie wersji standardowej. Gwarantowane wartości prądów wejściowych wynoszą dla wersji standardowej: dla U I = 0,4 V I ILmax = 1,6 mA I IHmax = 1,6 µA dla U I = 2,4 V 2.2.3. Bramka z otwartym obwodem kolektora Bramka z wyjściem typu „Open Collector” (OC) różni się od typowych bramek tym, że w jej stopniu wyjściowym znajduje się zwykły inwerter (rys. 2.6), a nie układ przeciwsobny Totem Pole, co pozwala na realizację iloczynu logicznego poprzez podłączenie kolektorów tranzystorów wyjściowych wielu bramek do wspólnego opornika, łączącego je z napięciem zasilającym. Zrealizowany w taki sposób iloczyn logiczny nazywa się iloczynem monRys. 2.6. Bramka z otwartym obwodem tażowym. kolektora UCY 7401 21 Dwie bramki OC dołączone do wspólnego rezystora obciążającego RO (rys. 2.7) realizują funkcję: F = A B + C D = A B ⋅ C D . UCC R0 A B F = AB + CD C D Rys. 2.7. Dołączenie dwu bramek z otwartym kolektorem do wspólnego rezystora obciążającego Projektowanie iloczynu montażowego polega na wyznaczeniu górnej i dolnej granicznej oporności wspólnego obciążenia R0. Odbywa się to na drodze analizy rozpływu prądów bramek OC przy obu stanach logicznych (rys. 2.8). a) b) UCC UCC RO MIN RO MAX ID ID UIL IOH IIH UIH UIL IOH IIH UIL IIL UIL IOH IIH UIL IIL UIL IOH n IOL IIL UIL N n N Rys.2.8. Rozpływ prądów w układzie iloczynu montażowego: a) w stanie H, b) w stanie L Maksymalna wartość rezystancji R 0 dla stanu H wynosi: 22 R 0 max = Ucc − UOH min n I OH max + N I IH max gdzie: n - liczba bramek dołączonych do wspólnego rezystora R0 , N - liczba wejść bramek obciążających. W stanie L wartość R 0 można wyznaczyć na podstawie wzoru: R 0 min = Ucc − U OL max I OL max − N I IL max W związku z różnicami w budowie poszczególnych bramek z otwartym kolektorem, gwarantowane wartości parametrów stopnia końcowego precyzuje się dla każdego typu bramki oddzielnie. Na przykład dla bramki UCY 7401 wartości te wynoszą: dla U OH = 5,25 V I OH max = 250 µA (I OH max jest odmiennie zdefiniowana niż dla układu UCY7400) dla I OL max = 16 mA. U OL max = 0,4 V Bramki z otwartym obwodem kolektora służą również do współpracy układów TTL z innymi układami pracującymi przy wyższych napięciach zasilania, np. z wysokoprogowymi tranzystorami MOS. Realizacja tej funkcji wymaga zastosowania w stopniu wyjściowym tranzystora o podwyższonym napięciu przebicia (15 V lub 30 V) i odpowiednio dużym prądzie IOL. Przykładem bramki buforowej z otwartym obwodem kolektora jest inwerter UCY 7406. 2.2.4. Zasady stosowania układów TTL Sygnały podawane na wejścia elementów TTL powinny charakteryzować się następującymi parametrami: • czasy narastania i opadania impulsów zegarowych powinny być mniejsze niż 150 ns, • czasy narastania i opadania zboczy impulsów wejściowych powinny maleć ze wzrostem rezystancji wyjściowej układów sterujących, 23 jeżeli impedancja Z O ≥ 100 Ω, czasy te nie powinny być dłuższe niż 1 µs, • wejściowe poziomy napięć dodatnich nie powinny przekraczać +5,5 V, a ujemnych -0,5 V. Podczas stosowania układów TTL może zaistnieć sytuacja, że nie do wszystkich wejść bramki doprowadzono sygnały sterujące. Wejście nie wykorzystane oddziałuje wtedy na wartość logiczną sygnału wyjściowego w taki sposób, jak gdyby do tych wejść zostały doprowadzone sygnały odpowiadające jedynce logicznej. Pozostawienie nie wykorzystanych (otwartych) wejść zmniejsza szybkość przełączania bramki ze stanu wysokiego do niskiego, a także odporność bramki na zakłócenia. Jeśli więc w systemach lub urządzeniach cyfrowych istnieją elementy logiczne, w których nie wszystkie wejścia są wykorzystane, to należy stosować następujące zasady ich połączenia: • nie używane wejścia bramek AND, NAND i przerzutników należy dołączyć do szyny napięcia zasilania U cc poprzez rezystancję 1÷5 kΩ; przez pojedynczą rezystancję 1 kΩ można dołączyć maksymalnie 25 wolnych wejść; jeżeli napięcie zasilania nie przekracza 5,5 V, to nie używane wejścia można dołączyć wprost do napięcia zasilania, • nie używane wejścia bramek AND, NAND, OR oraz NOR można dołączyć do wejść używanych tych samych bramek pod warunkiem, że dopuszczalna obciążalność układu sterującego w stanie wysokim nie zostanie przekroczona, • wolne wejścia bramek AND, NAND oraz przerzutników można dołączyć do wyjścia nie używanej bramki, na wejście której należy przyłożyć napięcie odpowiadające zeru logicznemu, • wolne wejścia bramek AND, NAND oraz przerzutników można dołączyć do niezależnego źródła napięcia zasilania o napięciu wynoszącym +2,4 ÷ +3,5 V, • wolne wejście bramek OR oraz NOR należy dołączyć do masy; wejście bramki można łączyć z masą układu poprzez opornik nie większy niż 400 Ω. 24 2.2.5. Synteza układów kombinacyjnych W celu dokonania syntezy układu kombinacyjnego należy: • określić funkcję logiczną rozpatrywanego problemu, np. za pomocą tablicy prawdy, • dokonać minimalizacji funkcji logicznej wykorzystując tablice Karnaugha lub metody algebraiczne, • sporządzić schemat układu logicznego, realizującego zminimalizowaną funkcję logiczną. Minimalizacja funkcji logicznych polega na wielokrotnym stosowaniu tzw. reguł sklejania: Ax + A x = A (A + x ) (A + x) = A Wyrażenia podlegające sklejaniu noszą nazwę sąsiednich. Są one iloczynami lub sumami tych samych zmiennych różniących się tylko negacją jednej zmiennej. Na przykład sąsiednie są wyrażenia x1 x 2 x 3 i x1 x 2 x 3 oraz x 1 + x 2 + x 3 + x 4 i x1+ x2 + x 3 + x 4 ; ich suma i iloczyn po zastosowaniu reguł sklejania wynoszą odpowiednio: x1 x2 oraz x1 + x2 + x3 . Funkcje logiczne można minimalizować poprzez przekształcenia algebraiczne zgodnie z prawami oraz tożsamościami algebry Boole’a. Jest to jednak sposób pracochłonny i niewygodny. Podstawowy algorytmiczny sposób minimalizacji funkcji logicznych to metoda tablic Karnaugha. Przykładowo podano jej zastosowanie do minimalizacji względem zer i względem jedynek następującej funkcji logicznej czterech zmiennych: f (D, C, B, A) = Σ ( 0, 1, 2, 8, 9, 11, 12, 13, 15 ) = = DCBA + DCBA + DCBA + DCBA + DCBA + DCBA + DCBA + + DCBA + DCBA W celu zminimalizowania powyższej funkcji należy przedstawić ją w tablicy Karnaugha (rys. 2.9). 25 a) BA 00 DC 00 1 01 0 11 1 10 1 01 11 10 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 b) BA 00 DC 00 1 01 0 11 1 10 1 01 11 10 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 Rys.2.9. Tablice Karnaugha funkcji f ( D, C, B, A ): a) minimalizacja względem zer, b) minimalizacja względem jedynek Z tablicy otrzymuje się następujące minimalne postaci funkcji: a) minimalizując względem zer: f ( D, C, B, A ) = (D+C)(D+B+ A )(A+B+ D) b) minimalizując względem jedynek: f ( D, C, B, A ) = DCA +CB+ DB+DA Zasady sporządzania schematu logicznego zostaną omówione na podstawie kolejnego przykładu. Przykład Zminimalizować funkcję Y(a, b, c, d, e)= Π [0, 5, 7, 8, 10, 12, 13, 14, 16, 20, 23, 31 (3, 4, 6, 15, 18, 24, 29)] . Zaprojektować układ kombinacyjny złożony z bramek: a) tylko NOR 3-wejściowych, b) tylko NAND 3-wejściowych. Rozwiązanie Minimalizacji dokonano wykorzystując tablice Karnaugha. c, d, e a, b 00 01 11 10 000 0 0 x 0 001 1 1 1 1 011 x 1 1 1 26 010 1 0 1 x 110 x 0 1 1 111 0 x 0 0 101 0 0 x 1 100 x 0 1 0 Y(a, b, c, d, e) = c e + e d a + a b e + b d e a c b d e Y Rys. 2.10. Układ kombinacyjny na bramkach NOR 3-wejściowych a b c d e Y Rys. 2.11. Układ kombinacyjny na bramkach NAND 3-wejściowych 27 2.3. OPIS OPROGRAMOWANIA DO BADANIA PODSTAWOWYCH CHARAKTERYSTYK WYBRANYCH ELEMENTÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH 2.3.1. Struktura programu Uruchomienie programu do badania charakterystyk wybranych elementów półprzewodnikowych następuje po wejściu do katalogu, w którym znajdują się wszystkie pliki niezbędne do jego działania (sterowniki karty graficznej - pliki z rozszerzeniem BGI, zbiory krojów pisma - pliki z rozszerzeniem CHR, pliki graficzne z rozszerzeniami DCS i BMP znajdujące się w podkatalogu SCHEMATY, zbiory tekstowe z rozszerzeniem TXT oraz program wykonawczy MAIN.EXE) i po uruchomieniu zbioru o nazwie MAIN.EXE. Przygotowane w ramach pracy dyplomowej [8] oprogramowanie składa się z trzech zasadniczych części: • MENU GŁÓWNEGO, • WPROWADZENIA DO ĆWICZENIA, • CZĘŚCI POMIAROWEJ. 2.3.1.1. Menu główne Po uruchomieniu programu wyświetlana jest czołówka, z której po naciśnięciu dowolnego klawisza przechodzimy do menu głównego. Menu główne daje nam do wyboru następujące opcje: • USTAWIENIA, • DIODY, • TRANZYSTORY, • BRAMKI, • POMOC. Każda z tych opcji może być uaktywniana poprzez naciśnięcie klawisza odpowiadającego wyróżnionej literze w nazwie opcji lub poprzez naprowadzenie podświetlonej belki za pomocą klawiszy ← , → na odpowiednią nazwę opcji i potwierdzenie jej klawiszem Enter. Po 28 wyborze opcji następuje wyświetlenie na ekranie monitora dostępnych podopcji. Sposób wyboru podopcji jest taki sam, jak przy wyborze opcji, tzn. przez naciśnięcie odpowiedniego klawisza z wyróżnioną literą lub poprzez naprowadzenie podświetlonej belki na wybraną podopcję. Ponadto program umożliwia szybkie poruszanie się między okienkami, np. za pomocą klawisza kierunkowego → można przejść od podopcji USUŃ SORTOWANIE w opcji USTAWIENIA do podopcji PROSTOWNICZA w opcji DIODY. Metodę tę można także stosować dla bardziej „zagłębionych” opcji poprzez kilkakrotne naciskanie kursora kierunkowego. Struktura MENU GŁÓWNEGO została przedstawiona na rysunku 2.12. Opcja USTAWIENIA Po wyborze opcji USTAWIENIA na ekranie pojawi się okno zawierające następujące podopcje: • WSTAW WPROWADZENIE, • USUŃ WPROWADZENIE, • WSTAW SORTOWANIE, • USUŃ SORTOWANIE. Za pomocą podopcji WSTAW WPROWADZENIE i USUŃ WPROWADZENIE możemy włączyć lub wyłączyć funkcję wyświetlania na ekranie monitora wprowadzenia do ćwiczenia (standardowo wprowadzenie ustawione jest na aktywne). Stan tej podopcji sygnalizowany jest na belce narzędziowej u dołu ekranu. Opcja DIODY i opcja TRANZYSTORY Opcje DIODY i TRANZYSTORY przeznaczone są do wykorzystania w laboratorium podstaw elektroniki, dlatego też opis ich nie zostanie przedstawiony. Opcja BRAMKI Opcja BRAMKI przygotowana została z myślą o wykorzystaniu w laboratorium techniki cyfrowej. Umożliwia ona badanie charakterystyk następujących bramek wykonanych w technice TTL: • NAND, 29 • OPEN COLLECTOR. Jeżeli uaktywnimy podopcję NAND, to rozwinie się podmenu CHARAKTERYSTYKI, w którym należy dokonać wyboru rodzaju badanej charakterystyki. W nowo otwartym oknie dostępne są następujące charakterystyki: • • • • POBORU PRĄDU, PRZEŁĄCZANIA, WEJŚCIOWA, WYJŚCIE ESC. UWAGA: Aby określić charakterystykę PRZEŁĄCZANIA bramki UCY 7401, powinno wybrać się ją z podmenu CHARAKTERYSTYKI mieszczącym się w menu podopcji OPEN COLLECTOR. Uaktywnienie wybranej funkcji podmenu CHARAKTERYSTYKI spowoduje przejście do wyświetlania na ekranie komputera wprowadzenia, czyli pomocy teoretycznej (przy standardowym ustawieniu). Opcja POMOC Opcja POMOC powoduje wyświetlenie na ekranie monitora podstawowych informacji o sposobie korzystania z programu do rejestracji charakterystyk wybranych elementów półprzewodnikowych. Zawiera ona następujące elementy składowe: • opis ogólny programu, • podstawowe zasady dokonywania pomiarów za pomocą programu, • podstawowe błędy przy obsłudze programu, • nowości, • info. Do przeglądania pomocy służą klawisze: - przesuw o jeden wiersz w górę, ↑ - przesuw o jeden wiersz w dół, ↓ Pg Up - przesuw o jeden ekran w górę, Pg Dn - przesuw o jeden ekran w dół. 30 Ustawienia Diody Tranzystory Wstaw wprowadzenie Usuń wprowadzenie Wstaw sortowanie Usuń sortowanie Wyjście Esc Prostownicza Zenera Wyjście Esc Bipolarne Polowe Wyjście Przewodzenia Zaporowa Wyjście Esc Przejściowa Wyjściowa Wyjście Esc Esc Bramki Nand Open Collector Wyjście Esc Wejściowa Poboru prądu Przełączania Wyjście Esc Przełączania Wyjście Esc Rys.2.12. Struktura menu głównego 31 Pomoc 2.3.1.2. Wprowadzenie do ćwiczenia WPROWADZENIE DO ĆWICZENIA uruchamia się automatycznie (gdy funkcja WPROWADZENIE jest aktywna) po określeniu elementu i wybraniu charakterystyki pomiarowej. W tej części programu użytkownik ma możliwość zapoznania się z krótkim opisem zjawisk, które będzie badał w czasie zajęć laboratoryjnych. Podstawowe wiadomości teoretyczne poparte są licznymi rysunkami i tabelami. Wyświetlony jest także schemat układu, jaki należy połączyć, aby zarejestrować badaną charakterystykę. Po wyświetlanym na ekranie monitora wprowadzeniu teoretycznym można poruszać się kursorami kierunkowymi: ↑ - góra, ↓ - dół. Naciśnięcie klawisza ENTER spowoduje przejście do CZĘŚCI POMIAROWEJ przygotowanego oprogramowania (wprowadzenie powinno być jednak przejrzane do końca, gdyż w przeciwnym wypadku naciśnięcie klawisza ENTER nie da spodziewanego rezultatu). 2.3.1.3. Część pomiarowa Część pomiarowa, dostępna w przygotowanym oprogramowaniu, jest rozbudowanym narzędziem do rejestrowania i obróbki określonych charakterystyk wybranych elementów półprzewodnikowych. W układzie ekranu tej części programu można wyróżnić kilka podstawowych elementów: • belka menu części pomiarowej, • układ współrzędnych z naniesioną siatką i skalą, • wartości wielkości czytanych przez mierniki, • kwadrat z numerem i kolorem rejestrowanego wykresu, • nazwa elementu i rodzaj badanej charakterystyki. Belka menu CZĘŚCI POMIAROWEJ Część pomiarowa udostępnia użytkownikowi oprogramowania szereg funkcji, które ułatwiają rejestrację i obróbkę wykresu. Menu części pomiarowej (rys.2.13) zawiera 7 następujących opcji: • • • • • • • PLIK, EDYCJA, NASTĘPNY, SKASUJ, SKALA, POMOC, KONIEC. Uaktywnienie menu uzyskuje się poprzez przyciśnięcie klawisza F10; spowoduje to pojawienie się zielonej belki na ostatnio wybranej opcji. Do przemieszczania się między opcjami i funkcjami służą klawisze kursorów, natomiast aby uruchomić wybraną opcję (lub funkcję), należy nacisnąć klawisz ENTER. Opcja PLIK Wybór opcji PLIK powoduje wyświetlenie na ekranie monitora podmenu zawierającego następujące funkcje: • ZAPISZ, • ODCZYTAJ, • DRUKUJ, • WYJŚCIE. 33 PLIK Zapisz Odczytaj Drukuj Wyjście EDYCJA NASTĘPNY Wyświetlaj wszystkie wykresy Wyświetlaj bieżący wykres Wstaw / usuń opisy Utwórz opis Zamień mierniki Pozycja Linijka Wyjście SKASUJ SKALA Skasuj cały wykres Skasuj ostatni punkt pomiarowy Wyjście Wykresy Schemat Wyjście Rys. 2.13. Struktura menu CZĘŚCI POMIAROWEJ 35 POMOC Edycja Skasuj Następny Plik Skala Koniec Klawiatura Schemat Info KONIEC Funkcja ZAPISZ Funkcja ZAPISZ służy do zapisywania zarejestrowanych charakterystyk na dysku twardym lub na dyskietkach. Aby „zapisać” przebieg, należy nadać mu nazwę (nie dłuższą niż 8 liter) oraz określić ścieżkę dostępu (katalog) dla nowo utworzonego pliku. Gdy w określonym przez użytkownika miejscu istnieje już plik o takiej nazwie, to zostanie on uaktualniony (poprzednie dane ulegną zniszczeniu). Wszystkie pliki zostają automatycznie zapisane z rozszerzeniem ppm. W funkcji Zapisz są aktywne następujące klawisze: Tab – przechodzenie między Nazwą a Katalogiem, Enter - potwierdzenie wyboru. Standardowo są także dostępne takie klawisze, jak: ↓, ↑, →, ←, Backspace, Del, Home, End, Esc. W wypadku podania błędnej lub nie istniejącej ścieżki, określenia nie istniejącej stacji dysków czy też próby zapisu na zabezpieczoną dyskietkę program wyświetli na ekranie monitora odpowiedni komunikat. Funkcja ODCZYTAJ Funkcja ODCZYTAJ służy do odczytu plików z dowolnego napędu. Aby odczytać zbiór, należy określić jego nazwę oraz katalog, w którym plik się znajduje. Niezbędnym warunkiem do odczytania pliku jest jego istnienie w danym miejscu. Powinien on również posiadać odpowiedni format (pliki są nagrywane z rozszerzeniem ppm). Obsługa klawiatury została zorganizowana podobnie jak w funkcji ZAPISZ, dodatkowo po wciśnięciu klawisza F1 uaktywnia się nowe okno zawierające informacje na temat otwieranego pliku. W nowo otwartym okienku wyświetlana jest: • dokładna ścieżka dostępu do wybranego pliku, • data założenia, • rozmiar zbioru, • liczba wykresów, • komentarz do poszczególnych wykresów, • liczba punktów pomiarowych w kolejnych charakterystykach. Wczytanie zbioru z dysku spowoduje zastąpienie bieżąco edytowanych wykresów nowymi, jednak zastąpione zostaną tylko te charakterystyki, które mają takie same numery, jak przebiegi odczytane z dysku. Po zakończeniu funkcji ODCZYTAJ na monitorze będą przedstawiane wszystkie charakterystyki (nowo otwarte i poprzednio edytowane) aż do momentu odświeżenia ekranu. Umożliwia to porównanie kilku wcześniej zapisanych charakterystyk. Odświeżenie ekranu spowoduje usunięcie zastąpionych wykresów (czyli wykresów o tych samych numerach) z ekranu komputera. Odświeżenie ekranu następuje m.in. po wywołaniu takich opcji, jak SKALA czy SKASUJ. Funkcja DRUKUJ Za pomocą funkcji DRUKUJ możemy dokonać wydruku schematu pomiarowego lub aktualnie wyświetlanych na ekranie przebiegów. Do wydruku dołączone zostaną opisy poszczególnych wykresów. Opcja EDYCJA Szereg funkcji umożliwiających porównywanie wykresów, edytowanie opisów oraz obsługę mierników zostało zawartych w opcji EDYCJA. Dokładny opis wszystkich możliwości przedstawiono w kolejnych rozdziałach. Opcja EDYCJA zawiera następujące funkcje: • wyświetlaj wszystkie wykresy, • wyświetlaj bieżący wykres, • wstaw/usuń opisy, • utwórz opis, • zamień mierniki, • pozycja, • linijka. Funkcja WYŚWIETLAJ WSZYSTKIE WYKRESY Funkcja WYŚWIETLAJ WSZYSTKIE WYKRESY spowoduje, że oprócz bieżącego wykresu na ekranie komputera wyświetlane będą pozostałe charakterystyki. Każda z charakterystyk ma swój numer i rysowana jest w innym kolorze. Funkcja WYŚWIETLAJ BIEŻĄCY WYKRES 36 Funkcję WYŚWIETLAJ BIEŻĄCY WYKRES wywołujemy wówczas, gdy chcemy, aby na ekranie monitora wyświetlany był tylko aktualnie edytowany wykres. Informacje o kolorze i numerze edytowanego wykresu są umieszczone w prawym dolnym rogu układu współrzędnych (kwadrat w kolorze bieżącego wykresu z jego numerem w środku). Funkcja WSTAW/USUŃ OPISY Podczas rejestrowania charakterystyk użytkownik powinien orientować się ile punktów pomiarowych zostało już określonych. W tym właśnie celu została stworzona funkcja WSTAW/USUŃ OPISY. Wywołanie jej spowoduje otwarcie na ekranie monitora okienka zawierającego podstawowe dane na temat sporządzanych przebiegów. Ponowne wywołanie funkcji WSTAW/USUŃ OPISY spowoduje usunięcie okna z ekranu monitora. Funkcja UTWÓRZ OPIS Dzięki funkcji UTWÓRZ OPIS można tworzyć komentarze do poszczególnych wykresów; będą one dołączane do wydruków oraz zapisywane na dysku wraz z charakterystykami. Tekst komentarza nie powinien zawierać więcej niż 30 znaków. Funkcja ZAMIEŃ MIERNIKI Standardowo program przyporządkowuje osi X miernik podłączony pod COM1, a osi Y - miernik podłączony pod COM2. Jednak ze względu na to, że użytkownik łącząc układ nie musi znać powyższych informacji, została wprowadzona funkcja ZAMIEŃ MIERNIKI. Działanie jej sprowadza się do zamiany pierwotnych ustawień. Wywołanie funkcji ZAMIEŃ MIERNIKI powoduje zmianę przyporządkowania mierników, tzn. miernik podłączony pod COM1 zostanie przyporządkowany osi Y, a miernik podłączony pod COM2 osi X. Funkcja POZYCJA Podczas analizowania zarejestrowanego na ekranie przebiegu niezbędna jest możliwość odczytu współrzędnych wybranych punktów wykresu. Współrzędne można odczytywać bezpośrednio z naniesionej 37 w układzie skali (lecz jest to niewygodne i mało dokładne) lub za pomocą funkcji POZYCJA. Uaktywnienie funkcji POZYCJA spowoduje wyświetlenie na ekranie komputera dwóch równolegle przecinających się prostych. Wzajemne położenie linii można zmieniać za pomocą kursorów: ↑, ↓, →, ←. Regulować można także skok (dokładność), z jakim następuje przesuw linii (klawisz Pg Up - zwiększa dokładność, Pg Dn - zmniejsza dokładność), przy czym standardowo skok ustawiony jest na 10 punktów ekranowych. Współrzędne punktu przecięcia się prostych są wyświetlane w prawym górnym rogu ekranu, natomiast informacja o aktualnej dokładności przedstawiona jest w oknie u dołu ekranu. Funkcja LINIJKA Podczas analizy niektórych przebiegów zachodzi konieczność znalezienia kąta nachylenia charakterystyki, sprawdzenia liniowości wykresu, czy też poprowadzenia stycznej w określonym punkcie przebiegu. W tym celu została wprowadzona funkcja LINIJKA. Zainicjowanie tej funkcji spowoduje wyświetlenie w układzie współrzędnych prostej o regulowanych punktach zaczepienia oraz zmiennym kącie nachylenia. Położeniem prostej steruje się za pomocą następujących klawiszy: - ustawienie górnego końca linijki jako ruchomego (czerwony ↑ kwadrat u góry linijki), - ustawienie dolnego końca linijki jako ruchomego (czerwony ↓ kwadrat u dołu linijki), ← , → - przesuwanie ruchomego końca linijki, Pg Up - zwiększenie skoku (dokładności) linijki, Pg Dn - zmniejszenie skoku (dokładności) linijki. Okna informacyjne funkcji LINIJKA rozmieszczone są podobnie jak w funkcji POZYCJA. W oknie w prawym górnym rogu ekranu wyświetlane są następujące dane: • współrzędna X górnego punktu, • współrzędna Y górnego punktu, • współrzędna X dolnego punktu, • współrzędna Y dolnego punktu, • kąt nachylenia prostej względem osi X, 38 • tangens kąta nachylenia. W dolnej części ekranu wyświetlane są informacje na temat ustawienia dokładności przesuwu linijki. Opcja NASTĘPNY W programie do badania podstawowych charakterystyk wybranych elementów półprzewodnikowych przewidziano możliwość wykreślania i zapisywania na jednym ekranie maksymalnie pięciu charakterystyk. Do przechodzenia między kolejnymi charakterystykami służy opcja NASTĘPNY. Wywołanie jej spowoduje pojawienie się okna dialogowego w którym należy wpisać numer sporządzanego przebiegu (1 - 5). Jeśli wykres o danym numerze już istnieje, program automatycznie powiadomi o tym użytkownika. Opcji NASTĘPNY można także używać do przeglądania poszczególnych wykresów, oczywiście wówczas, gdy aktywna jest funkcja WYŚWIETLAJ BIEŻĄCY WYKRES. Opcja SKASUJ Opcja SKASUJ umieszczana jest standardowo w większości profesjonalnych programów jako funkcja opcji edycja. Jednak ze względu na to, że podczas rejestrowania charakterystyk często zachodzi konieczność jej użycia, została ona umieszczona jako opcja w menu części pomiarowej. Wywołanie jej spowoduje na ekranie otworzenie podmenu zawierającego następujące dwie funkcje: • SKASUJ CAŁY WYKRES, • SKASUJ OSTATNI PUNKT POMIAROWY, • WYJŚCIE. Funkcja SKASUJ CAŁY WYKRES Funkcji SKASUJ CAŁY WYKRES używamy wówczas, gdy zachodzi konieczność skasowania całej charakterystyki. Po jej wywołaniu program zapyta o numer przebiegu do skasowania. Po wprowadzeniu numeru i po naciśnięciu klawisza ENTER wyszczególniony wykres zostanie usunięty z pamięci oraz z ekranu monitora. Z wykonania polecenia możemy zrezygnować przyciskając klawisz Esc. Funkcja SKASUJ OSTATNI PUNKT POMIAROWY Ze względu na inercję mierników oraz na przypadkowe błędy często podczas reje39 strowania charakterystyki zachodzi konieczność cofnięcia (skasowania) ostatniego punktu pomiarowego. Funkcja SKASUJ OSTATNI PUNKT POMIAROWY usuwa z pamięci komputera oraz ekranu ostatnio zarejestrowany punkt bez względu na to, czy był on wstawiony na końcu charakterystyki, czy w jej środku. Ponowne wywołanie tej funkcji (bez wczytania kolejnego punktu) nie przyniesie żadnego rezultatu. Opcja SKALA Podczas uruchamiania części pomiarowej skala dla osi X i Y jest dobrana optymalnie do rodzaju badanej charakterystyki. Wybierając opcję SKALA użytkownik może sam określić zakresy dla poszczególnych osi. Uaktywnienie tej opcji spowoduje wyświetlenie na ekranie monitora okna, w którym przedstawione są aktualnie ustawione zakresy. Do modyfikacji nastaw przeznaczone są następujące klawisze: • Tab - przemieszczanie belki pomiędzy kolejnymi parametrami, • ←, →, Home, End, Delete, Backspace - edycja wartości, • Esc - rezygnacja i przywrócenie poprzednich nastaw. Wpisując nowe wartości, należy zwrócić uwagę, aby zachowane były następujące zależności: Xmin < Xmax Ymin < Ymax W razie błędnie wprowadzonych danych komputer wygeneruje ostrzeżenie o błędzie. Należy pamiętać, że właściwy dobór skali jest bardzo ważnym czynnikiem w procesie pomiarowym. 40 Opcja POMOC W opcji POMOC zawarte zostały podstawowe wskazówki na temat możliwości, oferowanych w menu części pomiarowej. Uaktywnienie tej opcji spowoduje rozwinięcie okna zawierającego następujące polecenia: • • • • • • • • • EDYCJA, SKASUJ, NASTĘPNY, PLIK, SKALA, KONIEC, KLAWIATURA, SCHEMAT, INFO. Po wybraniu dowolnego z pierwszych siedmiu poleceń zostanie wyświetlona pomoc zawierająca krótki opis danego zagadnienia. Użytkownik może również z tego podmenu przywołać schemat pomiarowy do sporządzania aktualnej charakterystyki lub czołówkę programu odpowiednio uaktywniając polecenia SCHEMAT oraz INFO. Opcja KONIEC Opcja KONIEC umożliwia opuszczenie części pomiarowej i przejście do menu głównego. 2.3.2. Podstawowe zasady dokonywania pomiarów za pomocą programu Aby podczas ćwiczeń laboratoryjnych poprawnie obsługiwać program, należy stosować się do następujących wytycznych: 1. Funkcje WPROWADZENIE oraz SORTOWANIE powinny być ustawione jako aktywne (standardowo są tak ustawione). 41 2. Po wybraniu elementu i jego charakterystyki należy dokładnie przeczytać WPROWADZENIE DO ĆWICZENIA. 3. Na podstawie przedstawionego we wprowadzeniu schematu należy połączyć układ pomiarowy, w miejsce mierników oznaczonych na schemacie jako METEX należy użyć mierników METEX M-4650CR, które powinny być uprzednio podłączone do komputera przez prowadzącego. 4. Sposób połączenia układu pomiarowego należy skonsultować z prowadzącym ćwiczenie. 5. Zakresy na miernikach powinny być ustalone zgodnie z oczekiwanymi wielkościami i wartościami, 6. Przed opuszczeniem opcji WPROWADZENIE należy włączyć jeden z mierników cyfrowych. 7. Przejście do CZĘŚCI POMIAROWEJ następuje po przeczytaniu całego wprowadzenia i naciśnięciu klawisza ENTER. 8. W części pomiarowej należy sprawdzić, czy uaktywniony miernik przyporządkowany jest właściwej osi. W razie konieczności zmiany przyporządkowania należy użyć polecenia ZAMIEŃ MIERNIKI z menu EDYCJA. 9. W wypadku wystąpienia błędu pomiaru po załączeniu drugiego miernika należy go wyłączyć i włączyć ponownie. 10. Po przeprowadzeniu czynności 1÷9 można przystąpić do wykonywania pomiarów. Wielkości czytane przez mierniki będą wyświetlane u dołu ekranu oraz w układzie współrzędnych w postaci okrągłego kursora. Punkty pomiarowe zatwierdza się klawiszem SPACJA. Należy jednak zawsze poczekać, aż kursor ustabilizuje się. Za pomocą polecenia SKASUJ OSTATNI PUNKT POMIAROWY, znajdującego się w menu SKASUJ, można skasować ostatni punkt pomiarowy. Przed wydrukowaniem charakterystyk zaleca się zarejestrować sporządzone wykresy w pamięci komputera (polecenie ZAPISZ w menu PLIK). Drukować można zarówno charakterystyki, jak i schemat pomiarowy. Wykresy zostaną wydrukowane w aktualnie przyjętych zakresach. 11. Po wyjściu z programu do badania podstawowych charakterystyk wybranych elementów półprzewodnikowych można, za pomocą programu KONWERT.EXE, dokonać konwersji zapisanych podczas ćwiczenia plików z rozszerzeniem PPM na pliki DAT. Zbiór 42 zapisany z tym rozszerzeniem może być następnie importowany przez inne, profesjonalne programy do obróbki danych (np. Excel). 2.4. PRZEBIEG ĆWICZENIA 2.4.1. Badanie bramki NAND (UCY 7400) Po połączeniu układu pomiarowego zgodnie z rysunkiem 2.14 należy zdjąć charakterystykę przełączania UO = f ( UI ) bramki UCY 7400, ilustrującą zależność napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego bramki. Pomiary należy wykonać dla dwóch przypadków: - wyjście nie obciążone, - wyjście obciążone 10 wejściami bramek typu NAND. Rys. 2.14. Schemat układu do pomiaru charakterystyki przełączania bramki NAND UCY 7400 (wyjście nie obciążone) Zależności prądowo-napięciowe na wejściu układu przedstawia się za pomocą charakterystyki wejściowej II=f(UI). Schemat do pomiaru charakterystyki pokazano na rysunku 2.15. Charakterystykę wejściową należy zarejestrować dla nie obciążonego wyjścia. 43 Rys. 2.15. Schemat układu do pomiaru charakterystyki wejściowej bramki NAND UCY 7400 Charakterystykę poboru prądu, będącą graficznym przedstawieniem zależności ICC=f(UI), należy zarejestrować dla nie obciążonego wyjścia bramki (schemat pomiarowy rys.2.16). Rys. 2.16. Schemat układu do pomiaru charakterystyki poboru prądu bramki NAND UCY 7400 44 2.4.2. Pomiar charakterystyki przełączania bramki Open Colector UCY 7401 W układzie przedstawionym na rysunku 2.17 należy zdjąć charakterystykę UO=f(UI), przy czym pomiary należy przeprowadzić dla trzech wartości obciążenia RO: a) RO < RO min (nieznacznie mniejsze), b) RO min < RO < Ro max, c) RO > RO max. UWAGA - wartości RO min , Ro max należy określić przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczeń laboratoryjnych. Ucc − UOLmax I OL max − N I IL max Ucc − UOH min = n I OH max + N I IH max Ro min = Ro max n - liczba bramek dołączonych do wspólnego rezystora Ro N- liczba wejść bramek obciążających Rys. 2. 17. Schemat układu pomiarowego do wyznaczenia charakterystyk przełączania bramki UCY 7401 Podczas pomiarów należy pamiętać, aby nie przekraczać dopuszczalnych wartości prądów oraz napięć. 2.4.3. Pomiar charakterystyk wyjściowych bramki UCY 7400 Pomiaru charakterystyk wyjściowych bramki NAND należy dokonać w układzie jak na rysunku 2.18: a) wejście A połączyć z masą układu, a miliamperomierz z rezystancją R1; zmieniając wartość R1 zdjąć charakterystykę UOL = f (IOL); prąd IOL nie powinien przekroczyć 16 mA, 45 b) połączyć wejście A z plusem napięcia zasilania oraz miliamperomierz z rezystancją R2; zmieniając wartość R2 zdjąć charakterystykę UOH = f (IOH). +5V R1 1 /2 7400 14 mA A 7 V R2 Rys.2.18. Układ do pomiaru charakterystyk wyjściowych UO = f (IO) podstawowej bramki NAND 2.4.4. Pomiar średniego czasu propagacji bramki Łącząc ze sobą nieparzystą liczbę bramek NAND (rys.2.19), uzyskuje się układ astabilny o okresie drgań T = 2 ⋅ n ⋅ tp, gdzie: n = 2k + 1 to liczba bramek, przy czym k = 0,1,2,…, tp - średni czas propagacji bramki. Należy dokonać pomiaru średniego czasu propagacji bramki poprzez pomiar częstotliwości przebiegu generowanego przez układ z rysunku 2.19. 1 2 2k+1 Rys. 2.19. Układ astabilny o okresie drgań T = 2 (2k + 1)⋅ tp 46 2.4.5. Realizacja funkcji logicznej Należy sprawdzić praktycznie poprawność działania zaprojektowanego w domu układu kombinacyjnego, składającego się wyłącznie z bramek NAND typu UCY 7400, realizującego funkcję logiczną wskazaną przez prowadzącego lub funkcję własną. 2.4.6. Opracowanie sprawozdania • • • Na otrzymanych charakterystykach należy zaznaczyć poziomy logiczne odpowiadające stanom H i L. Wyjaśnić różnicę pomiędzy charakterystykami dla wejść nie obciążonych i obciążonych. Podać schemat ideowy ekspandera UCY 7460. Wyjaśnić zasadę działania i podać przykład zastosowania. 2.5. ZAGADNIENIA KONTROLNE 1. Omówić sposoby zabezpieczania układów TTL przed zakłóceniami w obwodach zasilania. 2. Wyjaśnić pojęcia: • wzmocnienie logiczne, • amplituda logiczna, • współczynnik jakości, • margines szumów, • statyczny margines szumów, • moc strat, • czas narastania i opadania impulsu zegarowego. 3. Przedstawić i opisać charakterystyki dynamiczne bramek TTL. 4. Wyjaśnić działanie bramki: • AND-OR-INWERT, • ekspandywnej i ekspandera, • trójstanowej, 47 • Schmitta • mocy. 5. Zminimalizować następujące funkcje boole’owskie: F1 ( A , B, C, D) = A[( BC + D) A ] F2 (A , B, C, D) = A B C + AB C + A B C + AB C + A B C + A C F3 (A , B, C, D) = A C + A B C + B C + A B C 6. Wyjaśnić rolę diod D1, D2, D3 znajdujących się na schemacie ideowym podstawowej bramki NAND. 7. Zaprojektować układ komparatora 2 liczb 2-bitowych A i B, który będzie miał 3 wyjścia A=B, A>B, A<B, przy czym poziom H na każdym z nich ma oznaczać spełnienie funkcji realizowanej przez dane wyjście. 8. Zminimalizować metodą tablic Karnaugha następującą funkcję (względem zer i jedynek): f ( X1 , X 2 , X 3 , X 4 , X5 ) = (0,1,2,4,5,6,11,13,16,17,20,21,29) ∑ 9. Zaprojektować, wykorzystując tablice Karnaugha, układ realizujący funkcję: f ( X1 , X 2 , X 3, X 4 ) = [1,3,7,8,9,1115 , , (5,6,10,14)] ∑ 10. Zaprojektować, wykorzystując tablice Karnaugha, układ realizujący funkcję: f ( X1 , X 2 , X 3 , X 4 ) = (1,4,5,6,7) ∏ 11. Wyznaczyć minimalną postać funkcji realizowanej przez układy przedstawione na rysunkach a, b; podać wykorzystywane prawa. 48 a) X Y f(X,Y,Z) Z b) "1" A "0" B f(A,B,C) C "1" "0" LITERATURA 1. KALISZ J., Podstawy elektroniki cyfrowej, WKiŁ, Warszawa 1991 2. Laboratorium podstaw techniki cyfrowej, praca zbiorowa pod red. L. Wasilewskiego, WSM, Gdynia 1991 3. ŁAKOMY M., ZABRODZKI J., Cyfrowe układy scalone, PWN, Warszawa 1986 4. MAJEWSKI W., Układy logiczne, WN, Warszawa 1993 5. MISIUREWICZ P., Podstawy techniki cyfrowej, WNT, Warszawa 1985 6. PIECHA J., Elementy i układy cyfrowe, Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 1990 7. PIEŃKOS J., TURCZYŃSKI J., Układy scalone TTL w systemach cyfrowych, WKiŁ, Warszawa 1986 8. PRZYTARSKI G., Program do badania podstawowych charakterystyk wybranych elementów półprzewodnikowych, praca inżynierska, WSM, Katedra Automatyki Okrętowej, Gdynia 1996 49 9. SASAL W., Układy scalone serii UCA 64/UCY 74. Parametry i zastosowania, WKŁ, Warszawa 1985 10. TRACZYK W., Układy cyfrowe. Podstawy teoretyczne i metody syntezy, WNT, Warszawa 1986 11. TURCZYŃSKI J., MAKSYMOWICZ R., MALEC B., PONIKIEWSKI J., Wybrane układy z techniki cyfrowej, WKiŁ, Warszawa 1983 50
