BADANIE CYFROWYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH TTL 1

BADANIE CYFROWYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH TTL
strona 1/7
BADANIE CYFROWYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH TTL
1. Wiadomości wstępne
Monolityczne układy scalone TTL (z ang. Trasistor Transistor Logic) stanowią obecnie najbardziej
rozpowszechnioną grupę elektronicznych elementów przełączających. Układy te przeznaczone są
do realizacji logicznych struktur w urządzeniach cyfrowych. Z tego względu konstrukcja i
parametry tych układów zostały ujedno1icone. Sygnały cyfrowe mogą przyjmować tylko jedną z
dwóch ściśle określonych wartości napięć. Praktycznie określa się przedziały, w których mogą
znajdować się wartości napięć odpowiadające poziomowi wysokiemu H (z ang. high) i poziomowi
niskiemu L (z ang. low). Dla układów scalonych TTL wynoszą one:
- poziom H ("l" logiczne) - napięcie +2 V do +5,5 V,
- poziom L ("0" logiczne) - napięcie -0,5 V do +0,8 V.
W poprawnie działającym układzie, napięcie wyjściowe zawiera się zwykle w węższych granicach:
- poziom H - napięcie +2,4 V do +5 V,
- poziom L - napięcie 0V do +0,4V.
Elementarny układ TTL ma za zadanie realizować określoną funkcję logiczną oraz odpowiednio
wzmacniać sygnał wyjściowy. Wszystkie układy TTL wymagają zasilania ze źródła napięcia stałego
o wartości +5 ±0,25V.
Przekroczenie tego zakresu może spowodować uszkodzenie układu lub jego błędne działanie.
Podstawowymi elementami techniki cyfrowej TTL są bramki logiczne i przerzutniki.
1.1. Bramki logiczne
Głównym przeznaczeniem bramek logicznych (funktorów logicznych) jest realizacja układów
obliczających funkcje logiczne. Do zbudowania dowolnego układu logicznego wystarczą 3 typy
bramek: AND (iloczyn), OR (suma) i NOT (negacja). Symbole graficzne tych bramek
przedstawiono na rysunku.
Rys. 1. Symbole graficzne podstawowych bramek logicznych: a) AND, b) OR, c) NOT.
Realizowaną przez te bramki funkcję logiczną przedstawiono w postaci tabeli stanów.
Tabela 1
Wartość logiczna sygnałów wejściowych
Typ bramki
AND
Wartość logiczna
sygnałów wyjściowego
x
y
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
z
BADANIE CYFROWYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH TTL
strona 2/7
Tabela 2
Wartość logiczna sygnałów wejściowych
Typ bramki
OR
Wartość logiczna
sygnałów wyjściowego
x
y
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
z
Tabela 3
Wartość logiczna sygnałów wejściowych
Typ bramki
NOT
x
Wartość logiczna
sygnałów wyjściowego
z
0
1
1
0
Produkuje się jednak znacznie więcej typów bramek. Różnią się one między sobą liczbą wejść,
realizowaną funkcją lub parametrami elektrycznymi. Szeroki zestaw produkowanych układów
logicznych umożliwia budowę urządzeń przy wykorzystaniu mniejszej liczby elementów
składowych.
Podstawowym elementem układów cyfrowych jest bramka NAND. Jest ona elementem
uniwersalnym, ponieważ przy jej użyciu można zbudować każdą inną bramkę lub zrealizować
dowolny układ logiczny. Symbol bramki NAND przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Symbol graficzny bramki NAND.
Sposób realizacji funktorów AND, OR i NOT przy użyciu bramki NAND pokazano na rys. 3.
BADANIE CYFROWYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH TTL
strona 3/7
Rys. 3. Sposób realizacji przy wykorzystaniu bramki NAND bramek: a) AND, b) OR, c) NOT.
Bramka NAND realizuje funkcję logiczną według tabeli stanów przedstawionej w tabeli 4.
Tabela 4
Wartość logiczna sygnałów wejściowych
Typ bramki
NAND
Wartość logiczna
sygnałów wyjściowego
x
y
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
z
Właściwości statyczne bramek określają podstawowe charakterystyki statyczne:
-charakterystyka wejściowa Il=f(Ul);
-charakterystyka przenoszenia U2=f(Ul);
-charakterystyka wyjściowa U2=f(I2).
Przeciętne charakterystyki statyczne przedstawiono na rys.1.
Do charakterystycznych parametrów dynamicznych bramek TTL należą:
-czas narastania zboczy impulsów;
-czas narastania i opadania napięcia wejściowego przy przełączaniu bramki.
1.2. Przerzutniki
Drugą podstawową rodziną elementów techniki cyfrowej są przerzutniki. Są to elementy
umożliwiające zapamiętanie konkretnego stanu na wyjściu i określoną zmianę tego stanu w
zależności od kombinacji sygnałów wejściowych. Przerzutniki możemy podzielić na synchroniczne
i asynchroniczne. Przerzutniki synchroniczne zmieniają stan na wyjściu w wyróżnionych chwilach
czasowych. Przerzutniki asynchroniczne zmieniają stan na wyjściu bezpośrednio po odpowiedniej
zmianie sygnałów wejściowych.
BADANIE CYFROWYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH TTL
strona 4/7
Podstawowymi przerzutnikami asynchronicznymi są przerzutniki typu RS i D. W przerzutniku typu
RS występujią dwa wejśc ia steruące: R i S, a w przerzutniku typu D jest jedno wejście sterujące: D.
W obu typach przerzutników występują dwa wyjścia wzajemnie się uzupełniające: wyjście proste Q
i zanegowane Q'. Symbole graficzne tych przerzutników pokazano na rys. 4.
Rys. 4. Symbole graficzne przerzutnika: a) typu RS, b) typu D.
Opis działania przerzutników podaje się w postaci tablic działania.
Zawierają one informacje o wartościach logicznych sygnałów wejściowych i o odpowiadających im
wartościom logicznym sygnałów wyjściowych. W tablicach działania sygnał oznaczony Q(t+l)
odpowiada sygnałowi wyściowemu po zmianie kombinacji sygnałów wejściowych. Sygnał
oznaczony Q(t) oznacza sygnał występujący na wyjściu przed zmianą kombinacji sygnałów
wejiściowych. Niedozwoloną kombinację sygnałów wejściowych oznaczono jako X. Tablicę
działania przerzutnika typu RS przedstawiono w tabeli 5, zaś w tabeli 6 pokazano tablicę działania
przerzutnika typu D.
Tabela 5
Typ przerzutnika
RS
Wartość logiczna sygnałów
wejściowych
Wartość logiczna sygnałów
wyjściowych
R
S
Q(t+1)
Q(t+1)
1
1
X
X
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
Q(t)
Q'(t)
Tabela 6
Typ przerzutnika
D
Wartość logiczna sygnału
wejściowego
Wartość logiczna sygnałów
wyjściowych
Q(t+1)
Q(t+1)
1
0
1
0
1
0
Przerzutniki typu RS i typu D można zbudować przy wykorzystaniu bramek typu NAND. Sposób
realizacji tych przerzutników pokazano na rys. 6.
Przerzutniki produkowane są również w postaci układów scalonych. W jednej obudowie umieszcza
BADANIE CYFROWYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH TTL
strona 5/7
się zwykle od 1. do 6. przerzutników.
2. Program ćwiczenia
Typowym układem scalonym zawierającym bramki NAND jest układ UCY7400. Wyprowadzenia
tego układu przedstawia rysunek.
Rys. 5. Wyprowadzenia układy scalonego UCY7400.
UWAGA!
Badane układy TTL są zasilane napięciem +5V i 0V (zacisk masy zasilacza). Poszczególne układy
pomiarowe należy łączyć przy wyłączonym napięciu zasilającym.
2.1. Sprawdzanie działania funktorów logicznych
Połączyć układ pomiarowy. Po ustawieniu odpowiedniej kombinacji sygnałów wejściowych "x" i
"y" (+5V dla "1" i 0 V dla "0") odczytać wartość sygnału wyjściowego "z" bramki "NAND".
Wyniki zestawić w tabeli
Wartość logiczna sygnałów wejściowych
Typ bramki
NAND
x
y
1
1
1
0
0
1
0
0
Wartość logiczna
sygnałów wyjściowego
z
Połączyć układy pomiarowe do sprawdzenia działania funktorów logicznych "NOT", "AND" i
"OR". Podając na wejście kombinację sygnałów wejściowych "0" i "l" odczytać wartość sygnału
wyjściowego. Wyniki badań zestawić w tabelach stanów.
BADANIE CYFROWYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH TTL
strona 6/7
Wartość logiczna sygnałów wejściowych
Typ bramki
x
Wartość logiczna
sygnałów wyjściowego
z
0
NOT
1
Wartość logiczna sygnałów wejściowych
Typ bramki
AND
x
y
1
1
1
0
0
1
0
0
Wartość logiczna sygnałów wejściowych
Typ bramki
OR
x
y
1
1
1
0
0
1
0
0
Wartość logiczna
sygnałów wyjściowego
z
Wartość logiczna
sygnałów wyjściowego
z
2.2. Sprawdzenie działania przerzutników typu "RS" i "D"
Połączyć układ do badania przerzutnika typu "RS" zbudowanego z bramek TTL. Ustawić
odpowiednią kombinację sygnałów wejściowych i odczytać wartość sygnałów wyjściowych.
Wyniki zestawić w formie tabeli działania.
Wartość logiczna sygnałów
Wartość logiczna sygnałów wyjściowych
wejściowych
Typ
Układ zrealizowany z
Przerzutnik z układu
przerzutnika
RS
bramek TTL
R
S
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
1
Q(t+1)
Q'(t+1)
scalonego
Q(t+1)
Q'(t+1)
BADANIE CYFROWYCH UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH TTL
strona 7/7
Połączyć układ do badania przerzutnika typu "D" zbudowanego z bramek TTL. Ustawić wartość
sygnał u wejściowego "0” lub "1" i odczytać wartość sygnałów wyjściowych.
Wyniki zestawić w postaci tabeli działania
Typ
przerzutnika
Wartość logiczna sygnałów
wejściowych
D
1
0
RS
1
0
Wartość logiczna sygnałów wyjściowych
Układ zrealizowany z
bramek TTL
Przerzutnik z układu
scalonego
Q(t+1)
Q(t+1)
Q'(t+1)
Q'(t+1)